Istotą systemów CAx, jak sama nazwa wskazuje, jest wspomaganie procesów inżynierskich. Początkowo CAD oznaczał elektroniczą deskę kreślarską, która eliminowała czasochłonne rysowanie, ułatwiała nanoszenie zmian i poprawek. Potem pojawiło się modelowanie przestrzenne z automatycznym tworzeniem rzutów. Parametryzacja była kolejnym krokiem w kierunku większej pomocy udzielanej inżynierom. Możliwość pomiaru modeli, obliczenia wytrzymałościowe, symulacja procesów produkcyjnych… Co jeszcze można rozwinąć? Czego jeszcze może oczekiwać użytkownik systemu CAD? Najnowszym trendem okazuje się być KBE – Knowledge Based Engineering
PRZYKŁAD działania połączonych funkcji KWA
W pewnym uproszczeniu moduły KBE działają w trzech kierunkach. Pierwszy to zapewnienie zgodności z zasadami projektowania, a więc rola kontrolna. Drugi kierunek to automatyzacja pracy przez stosowanie szablonów. Oczywiście szablony te mogą, a wręcz powinny zawierać elementy kontrolujące poprawność. Ogólnie można tę cechę określić jako „inteligencję” szablonu. Trzecim kierunkiem jest możliwość wykonania automatycznej optymalizacji projektu według określonych kryteriów.
Standardy
Podstawowym narzędziem kontrolnym (i sterującym zarazem) w systemie CATIA jest Knowledge Advisor (KWA). Udostępnia on szereg narzędzi kontrolno-automatyzujących. Pierwsze z nich to Rule (reguła). Pozwala ona za pomocą konstrukcji znanych programistom (if…else etc.) operować parametrami modelu. Warto dodać, że parametry w ujęciu CATIA to nie tylko wymiary, ale również inne wartości liczbowe, tekstowe czy logiczne (np.: aktywność operacji, nazwa materiału czy ilość powtórzeń we wzorze).
Check (kontrolka) pomaga w śledzeniu stanu logicznego. Przykładem zastosowania jest kontrola masy projektowanej części – w razie jej przekroczenia zdefiniowany wcześniej Check zgłasza użytkownikowi odpowiedni komunikat. Bardziej zaawansowaną wersją kontrolki jest Reaction (reakcja), która w razie wystąpienia określonej sytuacji wykonuje zadaną przez użytkownika czynność. Nawiązując do poprzedniego przykładu – w razie przekroczenia pewnej masy – program automatycznie może zwiększyć liczbę otworów mocujących lub ich średnicę, może też zmienić materiał.
Przydatną funkcją KWA jest List (lista), która tworzy wykaz elementów spełniających zadane kryteria. Korzyści to łatwiejsze zaznaczanie pewnych elementów (wybór listy powoduje zaznaczenie znajdujących się na niej obiektów, choć nie zmienia się ich położenie w strukturze projektu), a także wyświetlanie ich liczby. Oczywiście, długość listy jest parametrem, który można użyć np. w równaniu czy regule.
Przykładem połączenia opisanych wyżej funkcji jest analiza elementu blaszanego pod kątem kosztów wykonania zagięć. Przyjmijmy, że koszt wykonania zagięcia jest inny dla blachy aluminiowej oraz inny
dla stalowej. Tworząc parametr opisujący koszt pojedynczego zagięcia, sterowanie jego wartością odbywa się za pomocą prostej reguły if…else: jeżeli materiałem jest aluminium, koszt wynosi X groszy, jeśli stal – Y groszy. Następnie zdefiniować można listę, która zawiera wszystkie zagięcia (Bend) części blaszanej. Kolejny parametr to suma kosztów – a więc koszt jednostkowy (zależny od materiału) pomnożony przez długość listy. Odpowiednio zdefiniowany Check wyświetla komunikat, jeśli suma kosztów gięcia przekroczy graniczną wartość (która może być zdefiniowana w odpowiednim parametrze lub podana bezpośrednio podczas definicji Check). Można też zdefiniować reakcję, która w przypadku przekroczenia kosztów dla blachy stalowej automatycznie zmienia materiał na aluminium… Możliwości oferowane przez KWA są – mimo pozornie niewielkiej liczby narzędzi – bardzo szerokie, a co ważne, zdefiniowane zasady mogą być używane w innych dokumentach – wystarczy zastosować zawierający je plik jako szablon.
Jeżeli zasady mają mieć charakter globalny, to za pomocą aplikacji Knowledge Expert (KWE) możliwe jest określenie odpowiednich reguł analogicznie do KWA, po czym umieścić je w katalogu, skąd każdy uzytkownik będzie mógł importować je do projektu. Jest to metoda na wprowadzenie norm w procesie projektowania.
Automatyzacja
Przyspieszenie pracy przez stosowanie inteligentnych szablonów (Knowledge Template) polega na skonstruowaniu części lub złożenia opierającego się na pewnej geometrii wejściowej. Przykładem może być wygenerowanie tłoka silnika spalinowego po wskazaniu powierzchni wewnętrznej cylindra i powierzchni walcowej na korbowodzie. Połączenie części (nit, śruba z podkładkami i nakrętką) może zostać stworzone po wskazaniu skrajnych krawędzi otworów lub osi i odpowiednich płaszczyzn. Cały proces tworzenia szablonu nie różni się od zwykłego modelowania części lub złożenia poza koniecznością wykorzystania pewnej geometrii, która ma odzwierciedlać używane później dane wejściowe. Dodać należy, że CATIA udostępnia bardzo pomocne w tym narzędzia – Extract i Boundary (granica), które pomagają wyodrębnić element ze skomplikowanej całości. Oczywiście, tworząc część czy złożenie, możliwe jest korzystanie z narzędzi dostarczanych przez KWA, dzięki czemu można opisać pewne przewidziane przez konstruktora sytuacje i odpowiednio do nich zdefiniować obiekty tworzące szablon. Sam szablon jest definiowany na poziomie dokumentu. Określa się dane wejściowe (Inputs) i publikowane parametry (które będą możliwe do modyfikacji w momencie wstawiania obiektu lub później). W celu łatwiejszego stosowania tworzonego szablonu określić można wyświetlane nazwy dla elementów wejściowych oraz podgląd na wstawiany obiekt. Całość procesu zakończana jest zapisem efektów pracy do katalogu, co umożliwi łatwy dostęp i współdzielenie. Generowanie rodzin szablonów ułatwia mechanizm Design Table, który pozwala na sterowanie parametrami za pomocą tabeli (xls, txt) oraz automatyczne generowanie do katalogu wszystkich zapisanych w 
tabeli wariantów. Można też wczytywać szablony bezpośrednio z dokumentu, w którym zostały zdefiniowane.
PRZYKŁADOWY wykres będący efektem optymalizacji projektu
Mechanizmy szablonów w CATIA nie ograniczają się do części czy złożeń. W podobny sposób zdefiniować można własne funkcje – np. działające podobnie do zaokrągleń czy fazowań ozdobne frezowania krawędzi. Mechanizm ten nazywamy User Feature Template (UDF – User Defined Feature). Warto dodać, że szablony mogą funkcjonować na dwa sposoby. Pierwszy to wstawianie tylko ostatecznego efektu, przy czym w strukturze modelu pojawi się jedynie nazwa użytego szablonu bez możliwości jego modyfikacji. Drugi, zwany Power Copy, wstawia do modelu szablon wraz z jego elementami składowymi i historią, co umożliwia modyfikację zastosowanego elementu. Sposób użycia określany jest na etapie definicji szablonu.
O funkcjonalności szablonów może świadczyć fakt, że spotyka się wdrożenia, w których użytkownicy nie mają dostępu do standardowych poleceń, a jedynie przygotowanych UDF. Skraca to czas potrzebny na zaprojektowanie części, zabezpieczając jednocześnie przed popełnianiem błędów w procesie konstruowania.
Optymalizacja
Bardzo istotnym zagadnieniem w pracy konstruktora jest optymalizacja projektu. Ręczne wprowadzanie zmian i badanie efektu jest czasochłonne i mało efektywne. Dlatego współczesne oprogramowanie CAD dostarcza narzędzia ułatwiające wykonanie tego etapu procesu projektowania. W systemie CATIA moduł ten nazywa się Product Engineering Optimizer (PEO). Jego możliwości pozwalają między innymi na wykonanie serii zmian określonych elementów, w celu spełnienia określonego kryterium. Najprostszym przykładem zastosowania jest dopasowanie krzywej (Spline) tworzącej powierzchnię obrotową tak, aby zamknięta wewnątrz objętość miała zadaną wartość. Oczywiście zarówno zmienne (elementy modyfikowane), jak i kryteria optymalizacji mogą być dowolnie zdefiniowane za pomocą istniejących w modelu parametrów lub wyników działania narzędzi pomiarowych. Działanie PEO można łączyć z wynikami działań modułów MES. Przykładem może być dobór przekroju obciążanej belki (tu jej wymiary są zmiennymi) tak, aby wielkość ugięcia nie przekroczyła zadanej wartości (kryterium optymalizacji).
Podobne w działaniu narzędzie to Constraint Satisfaction (spełnienie wymagań). Działanie jego nieco różni się od PEO. Polega ono na określeniu warunków, które mają być spełnione za pomocą równań lub nierówności. System analizuje, jakie parametry mają wpływ na spełnienie warunków i podaje ich listę. Użytkownik wskazuje, które mają mieć określoną wartość, a które mogą zmieniać się, podaje ilość rozwiązań, jaką chce otrzymać oraz definiuje minimalny odstęp między rozwiązaniami. Wynikiem jest określona liczba zestawów parametrów, z których każdy spełnia założone wymagania.
Zdarza się, że konstruktor nie potrzebuje dokładnej wartości jakiegoś parametru, a chce znać wpływ modyfikacji jednej zmiennej. Do badania tego typu zagadnień służy narzędzie Design of Experiment (projekt eksperymentu). Wynikiem działania są wykresy, obrazujące efekt zmian wybranych parametrów. Przykładem może być wykres płaszczyznowy, obrazujący wielkość ugięcia belki w zależności od jej długości, szerokości i modułu Younga. Definiując graniczne wartości tych parametrów i liczbę podziałów tego zakresu, otrzymujemy wykres o pożądanej wielkości i rozdzielczości oraz tabelę z wynikami (format xls lub txt). Dodatkową funkcją jest możliwość szybkiego przewidywania (Prediction) efektu zmian, a także zastosowania wybranego spośród wyników stanu jako obowiązującego dla produktu.
Projektowanie z użyciem mechanizmów KBE staje się coraz popularniejsze. Konstruktorzy doceniają oferowane przez oprogramowanie CAD możliwości, zauważając szanse na uproszczenie swojej pracy, a przede wszystkim na mniejszą liczbę błędów w projektach. Czynniki te przekładają się na wydajność inżynierów, skracając czas przygotowania projektu i otwierając przed nimi nowe możliwości. Przede wszystkim jednak możliwe jest zgromadzenie wiedzy i doświadczenia konstruktorów w sposób, który umożliwia łatwe i efektywne ich wykorzystanie.
Warto pamiętać, jak wielka jest ich wartość w firmie.
Autor: TEKST: MICHAŁ MURAWSKI IPL Solutions
