Odpowiedź na postawione w poprzednim numerze pytanie nie jest łatwa. Zależy od tego, co projektujemy i jakich narzędzi używamy do projektowania. Jeżeli korzystamy z systemu CAD, to zasadne wydaje się określenie, w jakim systemie tworzymy projekt. I nie chodzi tu wyłącznie o konkretny system, ale o jego rodzaj, bo to niewątpliwie wpływa na metody, jakie mogą być zastosowane przez konstruktora w procesie projektowania. Dzisiaj przyjrzymy się bliżej zagadnieniom stylizacji powierzchni, modelowania funkcjonalnego i projektowania wspomaganego bazą wiedzy
Systemy CAD – stylizacja powierzchni (Styling Design)
Obie, omówione w poprzednim numerze grupy systemów CAD (modelowanie bezpośrednie i modelowanie wspomagane cechami konstrukcyjnymi) dotyczą tego, co można by nazwać definiowaniem inżynierskiej 
reprezentacji geometrycznej części. Słowo ‘inżynierskiej’ wskazuje na przeznaczenie modelu – precyzyjna definicja geometrii, potem generowanie dokumentacji technicznej, analiza technologiczności, definiowanie technologii obróbki oraz produkcja.
STYLIZACJA powierzchni – przykłady projektowania kształtu
Bardzo często, zanim w modelu ‘inżynierskim’ powstanie precyzyjna definicja kształtu części powstaje model, w którym aspekty estetyczne, a nie dokładnie zdefiniowane wymiary, mają podstawowe znaczenie. Model przestrzenny takiej części nie musi zawierać żadnego parametru inżynierskiego (na przykład położenie w przestrzeni czy wymiary) i dlatego nie ma potrzeby stosowania inżynierskiej aplikacji do definicji jej kształtu. Co więcej kryteria oceny jakości takiego modelu powierzchniowego są różne od tych, które są zazwyczaj stosowane przez inżyniera mechanika. Taki rodzaj modelowania powierzchniowego nosi nazwę Freestyle, co mogłoby być przetłumaczone na modelowanie swobodne. Stylizacja powierzchni, nazywana oficjalnie wzornictwem przemysłowym, czasami definicją kształtu (formy) projektowanego wyrobu lub bardziej swojsko ‘design’, wymaga zastosowania takiego systemu CAD, w którym będzie możliwa nie tylko ocena jakości pojedynczej powierzchni, ale także analiza warunków ciągłości poszczególnych płatów powierzchni. Ta ciągłość, wskazana już wcześniej jako warunek poprawnej topologii modelu powierzchniowego nabiera w modelu estetycznym zupełnie innego znaczenia.
Dla konstruktora-mechanika istotne jest najczęściej to, aby model powierzchniowy był ciągły geometrycznie (mówimy tu o ciągłości typu G0), czyli aby poszczególne płaty powierzchni miały wspólne krawędzie. Model powierzchniowy jakiejś części nie może mieć przecież szczelin! Czasami zwykła ciągłość geometryczna nie wystarcza, bo potrzebna jest styczność krzywych lub powierzchni – mówimy wtedy o ciągłości typu G1.
Dla projektanta-stylisty ciągłość typu G0 i G1 to jednak za mało, bo jest oczywiste, że powierzchnia klapy bagażnika nowego modelu samochodu lub obudowy odkurzacza musi być ciągła. Poprawny model stylistyczny musi uwzględniać aspekty estetyczne powierzchni zewnętrznej wyrobu, a te wymuszają zastosowanie bardziej wyrafinowanych algorytmów definiowania powierzchni, kontroli ich jakości (na przykład poszukiwanie obszarów z mikro-nierównościami) oraz analizy połączeń tych powierzchni (ciągłość typu G2 lub G3). Dwie powierzchnie są ciągłe według kryterium G2, jeżeli w każdym punkcie ich wspólnej krzywej granicznej mają taką samą krzywiznę (promień krzywizny). Jeżeli ciągłość typu G2 nie wystarcza, bo konieczne jest zachowanie podobnych zmian krzywizny (gradientu) w obszarach bliskich wspólnej krawędzi, to mówimy o ciągłości typu G3.
Projektant-stylista oczekuje od systemu CAD nie tylko swobody w definiowaniu powierzchni, ale także, a może przede wszystkim zaawansowanych możliwości modyfikacji, tak pojedynczych płatów powierzchni jak również topologicznie powiązanych grup powierzchni. Zakres modyfikacji modelu powierzchniowego niezbędny dla projektanta- stylisty obejmuje klasyczne transformacje geometryczne (skalowanie, symetria, obrót czy przesunięcie) oraz globalną deformację modelu, na przykład skalowanie tylko w zadanym kierunku, rozciąganie lub „doginanie”. Słowo globalne oznacza tu możliwość zdefiniowania takiej deformacji, która zmienia kształt kilku lub kilkunastu powierzchni z zachowaniem, zdefiniowanych wcześniej warunków ciągłości pomiędzy tymi powierzchniami.
Systemy CAD – modelowanie funkcjonalne (Functional Modeling)
W większości dzisiejszych systemów MCAD, wspomagających projektowanie w zakresie mechanicznym, proces tworzenia modelu przestrzennego pojedynczej części rozpoczyna się od definiowania płaskich, dwuwymiarowych konturów lub krzywych. Kontury te powstają z odcinków linii prostych, łuków okręgu oraz krzywych wyższego rzędu, które są ze sobą powiązane wymiarami, relacjami 32 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] czerwiec 2006 ze sobą powiązane wymiarami, relacjami parametrycznymi lub warunkami geometrycznymi (prostopadłość, równoległość itp.). Zmiana wartości parametrów, wymiarów lub modyfikacja warunków geometrycznych powoduje odpowiednie zmiany konturu. W kolejnym kroku kontury są wskazywane jako elementy wejściowe definicji bryły lub powierzchni. Ostatni etap tworzenia modelu przestrzennego części to definiowanie szczegółów konstrukcyjnych. Taka kolejność postępowania jest zapamiętana przez system CAD w postaci struktury modelu, nazywanej czasami drzewem historii modelu. Dlatego takie systemy nazywamy historycznymi (History-Based CAD). „Historyczna” struktura modelu przestrzennego zawiera nie tylko wszystkie elementy geometryczne i parametry użytkownika, ale też wzajemne powiązania pomiędzy nimi. Zmiany konstrukcyjne, polegające na zmianie wartości parametrów, modyfikacji poszczególnych elementów geometrycznych lub dodaniu/usunięciu pewnych elementów ze struktury modelu, są de facto rekonstrukcją modelu zgodnie z historią jego tworzenia. Ale, to co na pierwszy rzut oka wydaje się (i naprawdę jest) wielką zaletą może być powodem wielu problemów, bo kolejność definiowania elementów ma zasadnicze znaczenie dla końcowego kształtu projektowanej części. Inna kolejność postępowania może oznaczać zupełnie inny kształt lub, w skrajnym przypadku, jest niemożliwa do zastosowania. Konstruktor musi myśleć nie tylko o istocie projektowanej części, ale także przestrzegać pewnych specyficznych dla każdego systemu CAD reguł, gwarantujących „poprawną”, z punktu widzenia systemu CAD, definicję modelu bryłowego. Wniosek jest oczywisty: dopiero doświadczony konstruktor plus dobry system CAD gwarantują sukces, czyli poprawny opis geometryczny projektowanej części.
Model przestrzenny pojedynczej części jest zazwyczaj częścią zespołu, który jest modelem całego wyrobu. Dlatego systemy CAD wspomagają definiowanie podzespołów i zespołów mechanicznych, w których musi być zdefiniowane relatywne położenie jednego modelu w stosunku do innego. Co więcej, zdarza się dość często, że kształt jednej części zespołu określa kształt innej części tego samego zespołu. W klasycznym systemie MCAD takie powiązanie może być realizowane przez mechanizm asocjatywności konturów lub parametrów. Można też skorzystać z metod definiowania inteligentnej reakcji systemu na wprowadzane zmiany konstrukcyjne (narzędzia typu KnowledgeWare). Wymaga to jednak dodatkowego, często znacznego nakładu pracy ze strony konstruktora, a nierzadko także programisty.
Niestety żadna z wymienionych tu metod projektowania nie jest bezpośrednio związana z funkcją projektowanej części. Inaczej mówiąc nie ma bezpośredniego związku pomiędzy definicją geometryczną pewnej cechy konstrukcyjnej a jej funkcją w definicji części lub wyrobu jako całości. Na przykład model przestrzenny zbiornika nie musi zawierać informacji o tym jaki materiał będzie w nim przechowywany, ani też jakie jest maksymalne dopuszczalne ciśnienie. W „klasycznych” systemach CAD konstruktor może zdefiniować bryłę cylindryczną, potem zaokrąglić krawędzie, określić grubość ścian, itd. Nie może jednak wybrać funkcji ZBIORNIK i zażądać: „Zdefiniuj zbiornik na gaz ziemny o objętości 100L i maksymalnym ciśnieniu 2,5MPa”. Czy to w ogóle jest lub będzie możliwe?
Próbą rozwiązania wymienionych wyżej problemów, generowanych przez systemy klasy History-Based, są systemy modelowania funkcjonalnego, w których konstruktor może się skupić na projektowaniu jako takim, a nie na poszukiwaniu optymalnej metody zastosowania systemu CAD w rozwiązaniu specyficznego zadania projektowego. Cechą charakterystyczną takich systemów jest to, że relacje pomiędzy modelami różnych części zespołu lub fragmentami modelu tej samej części, projektowanej przez jednego konstruktora lub równolegle przez zespół, nie są zdefiniowane pomiędzy obiektami geometrycznymi, ale pomiędzy obiektami funkcjonalnymi. Obiekt funkcjonalny definiuje na przykład kształt zewnętrzny projektowanej części, kształt otworu czy kształt żebra, a nie tylko powierzchnię czy bryłę, która ten kształt definiuje. Właściwie należałoby powiedzieć, że obiekt funkcjonalny definiuje kształt i jednocześnie funkcję tego kształtu w modelu części, czyli geometrię (powierzchnia, cylinder, kontur) i funkcję (kształt zewnętrzny, otwór przelotowy, żebro).
Systemy modelowania funkcjonalnego to kolejna faza ewolucji systemów klasy Feature Based Design, a więc także i tu w przypadku jakichkolwiek zmian geometrycznych relacje pomiędzy obiektami funkcjonalnymi są automatycznie odświeżane. Na przykład, model żebra zewnętrznego korpusu, będzie zawsze „opierać się” na powierzchni korpusu, „podążając” za zmianami powierzchni zewnętrznej korpusu, nawet jeśli nowa powierzchnia spowoduje zanik żebra. Można więc powiedzieć, że modelowanie funkcjonalne to taki rodzaj środowiska projektowego, w którym każda cecha konstrukcyjna posiada swoją funkcję, a geometria modelu końcowego jest rezultatem kombinacji geometrii cech szczegółowych i ich funkcji w modelu końcowym.
Kolejny aspekt zastosowania systemów modelowania funkcjonalnego to uwzględnienie aspektów technologicznych projektowanej części. Z pewnym uproszczeniem można powiedzieć, że w „klasycznym” systemie CAD konstruktor ma w zakresie modelowania bryłowego do dyspozycji dwa niezależne zestawy funkcji:
• Funkcje modelowania głównych cech geometrycznych: pryzma (+), kieszeń (-), żebro (+), otwór (-) itp.,
• Funkcje modelowania wymagań technologicznych: pochylenia technologiczne ścian oraz zaokrąglenia lub fazowania krawędzi.
Nazwałem te dwie grupy funkcji niezależnymi, bo definicja otworu nie „wymusza” zastosowania fazowania krawędzi otworu, a model żebra nie musi zawierać definicji pochylenia ścian i zaokrąglenia krawędzi. To konstruktor decyduje o tym, które krawędzie modelu mają być zaokrąglone, które powierzchnie powinny być pochylone oraz gdzie w strukturze modelu znajdzie się definicja tego zaokrąglenia lub pochylenia. Bardzo ważna jest kolejność modelowania — najpierw definicja głównych cech geometrycznych, potem szczegóły konstrukcyjne, a dopiero po nich uwzględnienie aspektów technologicznych modelu. I nie jest to wcale zagadnienie trywialne. Bo oczywiście nie można zdefiniować zaokrąglenia krawędzi, która jeszcze nie istnieje, ale kiedy zdefiniować to zaokrąglenie? Zaraz po „pojawieniu” się krawędzi w modelu przestrzennym? Kilka kroków później? Ile kroków? Czy może dopiero w ostatnim etapie modelowania części? Niestety, uniwersalnej i zawsze poprawnej odpowiedzi nie ma. W zasadzie modelowanie wymagań technologicznych powinno nastąpić najszybciej jak to możliwe. Wiele jednak zależy od doświadczenia konstruktora i specyficznych cech systemu CAD, w którym model przestrzenny części jest definiowany. Systemy modelowania funkcjonalnego, także i w tym zakresie, wspomagają projektowanie. Każda cecha konstrukcyjna ma zdefiniowany zestaw cech technologicznych (pochylenia technologiczne i zaokrąglenie krawędzi), co skutkuje mniej skomplikowaną strukturą modelu i uwalnia konstruktora od konieczności pamiętania o tym, kiedy i gdzie zastosować, wspomniane wcześniej cechy technologiczne modelu konstrukcyjnego.
Modelowanie funkcjonalne to jednak nie tylko definicja modelu przestrzennego części, ale także wspomaganie projektowania tej części w kontekście całego wyrobu. Na przykład w modelu obudowy można wskazać wstępną definicję kształtu silnika aby zarezerwować przestrzeń wewnątrz obudowy, a potem w miarę postępu prac projektowych odświeżać (update) model obudowy. Każda zmiana kształtu silnika automatycznie wymusza odpowiednie zmiany geometryczne w modelu obudowy tego silnika, a otwór zdefiniowany jako przelotowy będzie zawsze przelotowy, niezależnie od rodzaju i zakresu modyfikacji kształtu projektowanej części. W systemach modelowania funkcjonalnego definicja modelu przestrzennego części umożliwia niemal automatyczną definicję narzędzia (matryca, forma). Co więcej modele części i narzędzia są asocjatywnie powiązane, a to gwarantuje szybką, bo automatyczną propagację zmian konstrukcyjnych z modelu części do modelu narzędzia.
Systemy CAD – projektowanie wspomagane Bazą Wiedzy (Knowledge-Based Design)
Coraz większe oczekiwania użytkowników systemów CAx oznaczają coraz większe wymagania stawiane systemom klasy Feature- Based Design. Model konstrukcyjny musi zawierać nie tylko parametryczny opis geometrii projektowanej części, ale też cały szereg takich obiektów systemowych, które stanowią o „inteligencji” tego modelu.
Ale kiedy można powiedzieć, że model przestrzenny części lub zespołu części jest inteligentny? Moim zdaniem model CAD jest inteligentny wtedy, gdy reaguje w odpowiedni sposób na wprowadzane przez konstruktora zmiany. W odpowiedni sposób, czyli tak, jak to wynika z logiki wprowadzonej zmiany, doświadczenia konstrukcyjnego lub wymagań określonych w normach. Inteligencja modelu nie jest czymś wrodzonym, typowym dla każdego modelu przestrzennego. Elementy decydujące o inteligentnym zachowaniu modelu przestrzennego są definiowane przez konstruktora, czyli są pochodną doświadczenia tego konstruktora oraz umiejętności przewidywania skutków potencjalnych zmian konstrukcyjnych.
Nie byłoby to jednak możliwe bez systemu CAD, który umożliwi definicję tego, co stanowi o inteligentnym zachowaniu modelu przestrzennego, czyli:
1. Formalny zapis wiedzy konstrukcyjnej w postaci obiektów systemowych poprzedzony analizą zadania konstrukcyjnego:
a) Określenie ograniczeń formalnych: normy, zalecenia konstrukcyjne, sprawdzone praktyki projektowania itp.,
b) Definicja kontekstu projektowego, czyli elementów podstawowych, jakie muszą być zdefiniowane przed zastosowaniem tworzonego komponentu, na przykład parametry, oś symetrii, powierzchnia, krawędź,
c) Analiza wszystkich możliwych sytuacji projektowych.
2. Zapamiętanie tych obiektów w Bazie Wiedzy.
3. Łatwy dostęp do tej Bazy Wiedzy w celu ponownego wykorzystania jej komponentów w aktualnie tworzonym modelu przestrzennym.
W tym miejscu należy podkreślić, że zakup nawet najbardziej zaawansowanego systemu CAD jest tylko jednym z wielu elementów restrukturyzacji procesu projektowania. Nowy system CAD w firmie powinien przecież poprawić jakość, zredukować liczbę błędów, skrócić czas, itp., a nie da się tego zrealizować bez zastosowania zaawansowanych technik projektowania, na przykład projektowania współbieżnego oraz zbudowania inteligentnego środowiska projektowego. Inteligentnego, czyli takiego, w którym konstruktor ma zdefiniowany łatwy dostęp do komponentów definiujących Bazę Wiedzy firmy. Taka Baza Wiedzy, udostępniona zazwyczaj w formie bibliotek inteligentnych komponentów konstrukcyjnych, ułatwia spełnienie różnego typu wymagań (technologicznych, wytrzymałościowych, materiałowych itd.), które muszą być spełnione, aby projekt był poprawnie zdefiniowany. W Bazie Wiedzy konstruktor powinien znaleźć typowe szczegóły konstrukcyjne lub gotowe komponenty wyrobu końcowego, w których, na bazie wieloletniego doświadczenia pracowników firmy, zdefiniowane zostały obiekty decydujące o inteligentnym zachowaniu tychże komponentów.
Rozważmy przykład podcięcia technologicznego wału. Jeśli model takiego podcięcia jest zapamiętany w bibliotece inteligentnych komponentów standardowych (tu nazywanej Bazą Wiedzy), to konstruktor powinien jedynie wybrać typ podcięcia i wskazać czop wału, na którym należy zdefiniować podcięcie, a system CAD powinien automatycznie dopasować wymiary tego podcięcia do średnicy wskazanego czopa. Inteligencja modelu podcięcia oznacza więc tutaj inteligentne dostosowanie wymiarów podcięcia do średnicy wskazanego czopa wału oraz, o czym często zapominamy, inteligentną reakcję na każdą zmianę tej średnicy spowodowaną późniejszymi zamianami konstrukcyjnymi. W Bazie Wiedzy mogą się znaleźć również modele typowych części lub zespołów części, na przykład wspornik mocujący cylinder pneumatyczny, którego kształt oraz wymiary są uzależnione od rodzaju i wielości wybranego siłownika. Jeżeli zmieni się obciążenie, to system powinien automatycznie zaproponować większy cylinder pneumatyczny, zmienić wspornik mocujący i, jeśli trzeba, zmienić liczbę śrub mocujących.
Projektowanie wspomagane Bazą Wiedzy to jednak nie tylko możliwość zastosowania w projektowaniu mniej lub bardziej inteligentnych komponentów standardowych. Ewolucja systemów CAx klasy Feature-Based Design zmierza w kierunku takich rozwiązań, które w sposób automatyczny wykonają sprawdzenie poprawności konstrukcyjnej projektu w oparciu o zdefiniowane wcześniej i zapamiętane w Bazie Wiedzy reguły poprawnego projektowania i różnego typu warunki sprawdzające. Co więcej każda zmiana konstrukcyjna wykonana w modelu zbudowanym w środowisku wspomaganym Bazą Wiedzy może także powodować automatyczne wykonanie takich zmian, które wynikają z doświadczenia konstrukcyjnego firmy. Oczywiście może to być możliwe tylko po uprzednim zapamiętaniu takiej automatycznej reakcji systemu CAD w Bazie Wiedzy. Mechanizmy projektowania wspomaganego Bazą Wiedzy można też zastosować do sprawdzenia technologiczności zaprojektowanej przez konstruktora części. Idąc jeszcze dalej można zdefiniować takie środowisko CAD/CAM, w którym system zaproponuje technologię wykonania, czyli materiał surowy, strukturę procesu wytwarzania i szczegółowy opis poszczególnych operacji technologicznych. Tego typu rozwiązania znane są pod nazwą Computer Integrated Manufacturing (CIM). Można tu oczywiście dyskutować na temat zakresu integracji CAD-a z CAM-em oraz zakresu operacji technologicznych wykonywanych automatycznie przez system.
Czy w każdym systemie CAD można zdefiniować opisane wyżej inteligentne środowisko projektowe? Nie i dlatego przed zakupem nowego systemu CAD należy się zastanowić czy takie środowisko jest dla mnie interesujące oraz zrozumieć, że jakość parametrycznego modelu CAD to nie tylko czysta geometria, ale także finezja jego wykonania i odporność modelu przestrzennego na takie zmiany wartości parametrów, które generują problemy geometryczne lub niezgodność z normami. Bo jeśli coraz częściej mówi się o projektowaniu wspomaganym Bazą Wiedzy (Knowledge- Based Design), to trzeba zastanowić się nad tym, jak tę wiedzę zdefiniować w systemie CAD. Innymi słowy, jak przełożyć fakty, tabelki, normy i wymagania na takie obiekty systemowe, które zapewnią poprawność modelu CAD w każdym kontekście geometrycznym i technologicznym oraz uwzględnią wszystkie możliwe konsekwencje decyzji projektowych.
Autor: ANDRZEJ WEŁYCZKO
