Rewolucja u konstruktorów

Jako konstruktor nie pierwszej już, niestety, młodości chciałbym opowiedzieć o rewolucji, w której nam inżynierom przyszło uczestniczyć

W czasach moich studiów powstawały pierwsze polskie komputery. Gdy zacząłem pracować, te ogromne wtedy maszyny służyły już jako pomoc w wykonywaniu najtrudniejszych i żmudnych obliczeń z dziedziny aerodynamiki czy też wytrzymałości. Wtedy nie przeczuwaliśmy nawet, że za następne 20-30 lat nasz świat, a ściślej nasza praca i otoczenie zmienią się diametralnie. Znikną sale, w których dominującym widokiem był mniejszy lub większy las desek kreślarskich, przy których konstruktorzy tworzyli najpierw szkice, potem rysunki wykonawcze, a wreszcie tzw. detale.

Najczęściej w sąsiedniej sali czy też salach pracowały dziewczyny, które pracowicie i nieraz z dużym talentem “wyciągały te nasze rysunki w tuszu”. Trzeba tu koniecznie dodać, że rysunki powstawały na kalce (takim półprzezroczystym papierze) najpierw w “ołówku”, a dopiero potem poszczególne linie i napisy powtórnie rysowało się tuszem. Cechą wyróżniającą kalkę wśród innych papierów obok półprzezroczystości była stosunkowo duża odporność na wycieranie gumką kresek nawet zrobionych twardym ołówkiem, czy też na wyskrobywanie tych kresek żyletką po wyciągnięciu ich w tuszu. Zaczynamy może od spraw bardzo prozaicznych, ale chciałbym państwu uzmysłowić, że w procesie konstruowania nowych, wspaniałych często dzieł olbrzymią rolę (przynajmniej czasowo) odgrywały czynniki takie jak: dobra kalka, ołówek, gumka, żyletka, odpowiedni grafion czy wreszcie przynajmniej podstawy kaligrafii. To wszystko się zmieniło.

W przemyśle lotniczym (ale oczywiście nie tylko) zaczęło się to od zmian na etapie przejścia od projektu (rysunek) do materii czy – jak kto woli – produktu finalnego.

Duża część tych pracowicie wykonanych rysunków była wykonana w zmniejszeniu (bo jak zmieścić na jednym rysunku skrzydło o rozpiętości kilkunastu metrów?), a sam rysunek zawierał informację, jak dany detal ma wyglądać, lecz bynajmniej nie był dokładnym wizerunkiem detalu czy fragmentu konstrukcji. Tak więc początki rewolucji zaczęły się na traserni, a szerzej mówiąc w wydziałach zajmujących się wykonywaniem oprzyrządowania, w tym tak zwanych szablonów czy też bardziej fachowo wzorników płaskich lub przestrzennych.

^{PIERWSZE SZKICE samolotu Bielik (jeszcze w systemie Megacad)}

A tak w ogóle, co to jest ta trasernia? No cóż, jest to miejsce, gdzie pracowici i dokładni ludzie na pomalowanych na czarno blachach stalowych rysikiem (taki stalowy, ostry rylec) rysują z możliwie największą dokładnością (rzędu dziesiątych części milimetra) w skali 1:1 cały samolot. Robią to z konieczności (wymiary płyt) w poszczególnych fragmentach. Na podstawie ich rysunków (a muszą to być spece od geometrii wykreślnej) wykonuje się szablony płaskie, a za ich pomocą najczęściej z drewna wzorniki przestrzenne, czy jak kto woli bałwanki. Żeby nie rozwijać tematu, chciałbym tylko powiedzieć, że każdy, a przynajmniej ten wykonany z blachy detal w samolocie ma swój komplet wzorników do jego wytworzenia, a potem sprawdzenia. Gigantyczna praca. A przecież to nie tylko wytworzenie tych wzorników, lecz też ich przechowywanie, gospodarka nimi czy wreszcie wprowadzenie zmian składały się na końcowy efekt.

Pojawiły się pierwsze plotery, które z nieosiągalną dotąd precyzją zaczęły rysować na astralonie (taki przezroczysty, bardzo wytrzymały i mało kurczliwy plastik) w skali 1:1 cały samolot (oczywiście we fragmentach). Same urządzenia robią wrażenie swą wielkością, gdyż rysują na stołach o wymiarach kilka na kilkanaście metrów. Problemem było to, że same wzorniki dalej wykonywało się ręcznie, gdyż rysunek z plotera był przenoszony na blachę metodą fotograficzną, a ściślej rzecz biorąc podobną do tej jak przenoszony był rysunek z kalki technicznej na papierowe kopie!

^{PROCES TWORZENIA samolotu Orka, tym razem w 3D, w systemie Unigraphics}

Dla naszego przemysłu lotniczego był to okres rozkiwtu i potęgi. Powstawały wówczas w Mielcu i Świdniku zespoły do airbusa IŁ-86 i IŁ-96, uruchomiono produkcję AN-28, która miała iść w tysiące sztuk i nowe techniki były bardzo na czasie. A informatycy nadal działali – nie dość, że “pozbawili pracy” traserów, to “uknuli”, że ślusarze i stolarze (ci od szablonów i bałwanek) też nie są potrzebni. Skoro pojawiły się programowo sterowane obrabiarki, to przecież zarówno te płaskie, jak i przestrzenne szablony detali można wytwarzać bez pomocy “mistrzów”.

A co u konstruktorów? Musieli się przystosować do maszyn i po części myśleć jak one. A więc geometria analityczna, a nie wykreślna. Każdą powierzchnię (w tym powierzchnie zewnętrzne samolotu) trzeba było opisać nie kilkoma liniami od krzywki czy też giętki, lecz opisać matematycznie.

Powstało więc w tym okresie sporo metod analityczno-wykreślnych, które pozwoliły na przetrwanie dużej części zdobytych doświadczeń i metod pracy. Nowe już jednak czyhało, już wychylało się “zza płota”.

Rewolucja

Początek był oczywisty: usprawnianie dotychczasowego rysowania, a więc rysunek płaski. Pojawiły się programy CAD-owskie. W ramach ich reklamy informowano, że przeciętny inżynier po kilku, kilkunastu godzinach nauki osiągnie wydajność taką, jak w pracy przy desce (c

zresztą okazuje się prawdą). A potem? A potem to zależy od jego umiejętności twórczych. Komputer i jego program to taka prawie idealna deska, ołówek czy gumka, lecz w żadnym wypadku nie zastępuje konstruktora w jego dziele tworzenia, tak jak stos podręczników pod poduszką nie zapewni zdania egzaminu. Uwzględniając jednak, że większość pracy konstruktora to były bzdurne czynności (o których za chwilę), to według mojej oceny systemy typu Megacad zwiększyły wydajność dobrego konstruktora nawet kilkakrotnie. Żeby przybliżyć państwu zasady projektowania za pomocą komputera, zatrzymam się może na tych przejściowych dla nas i dla innych współczesnych konstruktor ów systemach. W końcu od wielu pokoleń przywykliśmy, że przynajmniej w technice większość informacji przekazujemy sobie w postaci płaskich rysunków, w których trzeci wymiar w ten czy inny sposób jest uzupełniony. Dla przejrzystości sprawy uczyńmy to w konwencji było-jest.

Otóż przedtem konstruktor miał deskę w formacie zbliżonym do B0 (1000 na 1414 mm), a teraz mamy kolorowy ekran wysokiej rozdzielczości o przekątnej zwykle co najmniej 21 cali. Przedtem dokładność wynikała z moich umiejętności i sprzętu, na jakim pracowałem, i wynosiła od jednego do nawet kilku milimetrów. Teraz dokładność mogę zadeklarować na praktycznie dowolnym poziomie.

Przystępujemy do rysowania. Jak to wygląda na kartce papieru (o przepraszam,  na kalce), mniej więcej wiadomo: odpowiednio zaostrzony ołówek i przy linijce, krzywce, giętce czy cyrklu od punktu do punktu. A jak w komputerze? Kursorem, korzystając z myszki, a dodatkowo – wspierając się klawiaturą. Po lewej stronie ekranu mamy menu i wybieramy sposób, w jaki chcemy wykonać np. prostą czy odcinek. I tak możemy tę prostą (pionową, poziomą czy obie razem) przeprowadzić przez cały ekran przy spełnieniu np. dodatkowo warunku, że będą one przechodzić (co wybieramy w kolejnym menu) przez wybrany kursorem punkt, koniec odcinka, środek promienia, przecięcie krzywych (lub prostych), określony punkt na krzywej lub prostej itp. Menu w tym względzie zawiera co najmniej kilkanaście możliwości. Na podobnej zasadzie możemy również wykonać okrąg czy elipsę, mając zawsze kilkanaście możliwości ich utworzenia, że wspomnę np. możliwość wykonania okręgu o zadanym promieniu i przechodzącym przez przecięcie dwóch linii oraz środek jakiegoś odcinka. Wszystko kilkoma kliknięciami i ruchami myszki. Generalnie można powiedzieć, że jest tyle możliwości, na ile pozwala geometria. W różnoraki sposób można również zdefiniować i narysować różne krzywe. Pierwszym krokiem jest najczęsciej poprowadzenie krzywej przez kilka punktów, jak to czyniliśmy na desce mniej lub bardziej udolnie za pomocą krzywek lub ciężarków i giętki. Komputer w tym względzie otwiera więcej możliwości, jak choćby zdeterminowanie styczności w określonych punktach, odchyłek od zadanych  punktów czy wreszcie charakteru (rzędu) krzywej.

Na pytanie, która ikona na ekranie rajcuje starego konstruktora najbardziej, śpiesznie odpowiadam: gumka. Przedtem jak zrobiłem na kalce twardym ołówkiem długą kreskę, a na domiar złego, na rysunku, który zawierał efekt moich nieraz kilkunastu dni pracy, to tylko się powiesić. A teraz? Mam parę możliwości: przede wszystkim paroma ruchami myszki mogę ową kreskę wymazać lub też uczynić krok lub więcej do tyłu lub przodu. Dodajmy do tego możliwość dowolnego ustawienia grubości, rodzaju i koloru linii (ważne na etapie prac koncepcyjnych) oraz – co jeszcze ważniejsze – możliwość edycji, czyli zmian w wykonywanym rysunku. Po podświetleniu na ekranie okienka EDIT pojawiają się tu wspaniałe możliwości; z paru czy kilkudziesięciu wymienię tylko kilka: skracanie, dociąganie linii, zmiana ich grubości, koloru i rodzaju, fazowanie, zaokrąglanie dowolnym promieniem czy wreszcie bardziej wyrafinowane, jak: przesuwanie całości (lub fragmentu) rysunku, lustrzane odbicie, zmniejszanie lub zwiększanie. Wszystko możemy robić zarówno na całym rysunku (na monitorze mamy możliwość wyświetlić cały rysunek), jak i na niezmiernie małym jego fragmencie, który obejmuje wtedy cały ekran. Dodajmy do tego możliwość rysowania niezależnie od siebie kolejnych warstw (layer) danego fragmentu konstrukcyjnego, a przyznacie, że informatycy dali konstruktorom niezłą zabawkę. Zanim zmienimy temat, krótkie wyjaśnienie – co to są te warstwy? Generalnie dany rysunek winien zawierać tylko te informacje, które danemu odbiorcy rysunku są potrzebne, a więc rysunek tego samego fragmentu konstrukcji dla montera jest zupełnie inny, niż dla pracownika wykonującego strukturę nośną samolotu. Innymi słowy trudno jest na jednym rysunku zmieścić wszystkie informacje o danym fragmencie konstrukcji. Posłużę się przykładem: część skrzydła – interesujący jest widok całości z góry, interesujący jest widok po zdjęciu pokrycia górnego, a może samego szkieletu, a może podwozia, które tam jest schowane? To właśnie są m.in. warstwy.

Cyfrowe układanki

Jeszcze się konstruktorzy nie nacieszyli nowymi zabawkami, a już informatycy podnoszą poprzeczkę. Teraz panowie projektujemy od razu w przestrzeni trójwymiarowej. Konstruktor obecnie jest od projektowania, od tworzenia. Nie powinien już poświęcać swej uwagi robieniu rysunków wykonawczych, pracowicie wymiarować detali, biedzić się nad wymyślnymi przekrojami czy wreszcie (a może nawet najważniejsze) mieć klocki do zabawy. Wybaczcie państwo żartobliwą formę, ale to naprawdę ważne. Pomyślmy: samolot ma niezliczoną ilość kranów, pojemnik ów, butli, dźwigników, sterowników, silników różnej maści, foteli, wskaźników, a wreszcie przewodów, złączek, bloków wyposażenia itp. Tego wszystkiego nie projektuje nasz znakomity konstruktor lotniczy, lecz specjalistyczne firmy od owych urządzeń. Cóż, globalizacja. W końcu w sprzedawanym przez firmę z Europy telewizorze mamy podzespoły co najmniej z kilkunastu krajów różnych części świata. Do rzeczy jednak. Nie projektuje, ale musi to wszystko zabudować i – jak się to dziś ładnie mówi – zintegrować!

^{STRUKTURA SKRZYDŁA ORKI – fragment. Konstruktor w czasie pracy może zarówno wybrać fragment konstrukcji, miejsce, z którego na fragment patrzy, jak też ukryć elementy w danym momencie przesłaniające obraz}

Pamiętajmy, że zaprojektowanie to przede wszystkim najszlachetniejsza ze sztuk – sztuka kompromisu. Możemy sobie wyobrazić, ile wariantów rozmieszczenia ładunku, załogi, paliwa i wszystkich tych urządzeń i przyrządów musi rozpatrzyć konstruktor, zanim zdecyduje się na ostateczne rozwiązanie. Wymagania w tym względzie, a więc optymalne rozmieszczenie wszystkiego (a jest tego coraz więcej), wzrosły niepomiernie w ostatnich latach rozwoju lotnictwa. Dawniej radzono sobie głównie mniej lub bardziej rozbudowaną metodą makietową, a więc przymierzano te wszystkie rzeczy do makiety powstającego samolotu, a po osiągnięciu consensusu rysowano wszystko w trzech rzutach. Wyobraźcie sobie zawory, silniki, skrzynki, przewody narysowane w określonym układzie współrzędnych, gdy są one ustawione pod różnymi wymyślnymi kątami. Koszmar. Nie będę zdrajcą środowiska, jeśli powiem, a właściwie napiszę, że dokładność tych rysunków nawet w najbardziej renomowanych firmach zostawiała dużo do życzenia, nie mówiąc już o ich aktualności.

^{TO SAMO SKRZYDŁO ORKI w innym ujęciu i innej edycji. W trakcie projektowania konstruktor pracuje na rysunku raczej w tej formie, gdyż wtedy ma precyzyjnie uwidocznione wybrane kontury poszczególnych elementów}

Dopiero komputerowe systemy projektowania zmieniły sytuację w tym względzie. Dziś, kiedy prawie wszyscy projektują komputerowo, robią to również projektanci i producenci systemów oraz urządzeń montowanych na samolocie. A skoro tak, to kolejny przełom w projektowaniu. Jeśli mamy poszczególne elementy i agregaty w wersji elektronicznej, to nic nie stoi na przeszkodzie wrysowania ich do naszego samolotu. Żaden problem z tym, w jakiej skali są oba rysunki (można ją szybko zmienić), czy też w jakiej pozycji znajduje się dany element w samolocie.

Z projektowania płaskiego do przestrzennego w naszej firmie przeszliśmy gdzieś tak w 1998 roku. Podejmując w skromnym kilkuosobowym gronie konstruktorów (oraz ze wspaniałym zespołem warsztatowym) prace nad odrzutowym samolotem szkolno-treningowym Bielik, zdawaliśmy sobie jasno sprawę, że przy projektowaniu tradycyjnym (deska, ołówek, gumka) nie mamy najmniejszych szans na zbudowanie tego samolotu w jakichś rozsądnych terminach. Stąd decyzja, że początek tych prac to zakup i opanowanie jakiegoś przyszłościowego systemu projektowania stosowanego w przemyśle lotniczym. Nasz wybór padł na system Unigraphics stosowany zarówno przez gigantów przemysłu lotniczego (Boeing, General Electric Aircraft Engines, Pratt & Whitney), jak niektóre fabryki i nasze uczelnie techniczne. W tym ostatnim przypadku udostępnienie polskim uczelniom technicznym swego oprogramowania oraz rozmaite szkolenia realizowane na rozsądnych zasadach ekonomicznych przez firmę Unigraphics było strzałem w dziesiątkę. Po kilku latach jesteśmy bardzo zadowoleni z naszego wyboru, tym bardziej że w naszej już przecież kilkuletniej współpracy z innymi konstruktorami okazało się, że nie napotkaliśmy zauważalnych problemów spowodowanych tym, że rozmawiamy innymi językami (korzystanie z innych programów). Pozwolicie więc państwo, że na podstawie naszych doświadczeń z systemem Unigraphics postaram opowiedzieć o tym, jak współcześni konstruktorzy pracują. Podstawowymi narzędziami są wspomniany komputer, monitor i myszka. Za ich pomocą konstruktor tworzy swe bryły i powierzchnie. W przypadku brył typu walec, stożek, prostopadłościan, kula (bryły obrotowe) jest to stosunkowo proste, bo przecież wystarczy je zdefiniować nieraz kilkoma parametrami,  określić umieszczenie w przestrzeni i już na ekranie mamy ich wizerunek. Jeżeli uzmysłowimy sobie, że większość wytworów naszej techniki to kompilacja owych podstawowych brył, to początek mamy dobry. Ale co z bardziej wymyślnymi powierzchniami i bryłami powstającymi wtedy, gdy ograniczają jakąś przestrzeń? Problem trochę trudniejszy, lecz w programie jest naprawdę dużo metod tworzenia wymyślnych powierzchni od stosunkowo prostych, gdzie definiujemy je np. linią leżącą w wybranej płaszczyźnie symetrii oraz określamy funkcję, według której zmieniają się przekroje w płaszczyźnie prostopadłej poprzez metody, gdzie określamy obrzeża naszej powierzchni i mówimy, że wynikowa powierzchni to taka, jakbyśmy nadmuchiwali cienką przeponę, a przepona ta przechodziłaby przez zadany punkt, czy też wreszcie mamy zbiór punktów (np. z pomiarów warsztatowych wzorca) i tworzymy powierzchnię przechodzącą przez te punkty z założoną tolerancją. W praktyce możliwości jest mnóstwo. Używam tu często słowa zdefiniowanie. Trzeba podkreślić, że definiowanie to najczęściej nie dokonuje się przez podanie wielkości liczbowych (współrzędne, zadany parametr), lecz przez wskazanie na ekranie kursorem punktu, linii czy powierzchni, a potem dyspozycji typu: od powierzchni do przecięcia dwóch krzywych prostopadle do płaszczyzny utworzonej przez prostą i koniec odcinka, stycznie do tego walca promieniem zawieszonym w… itd.

Stworzenie bryły czy płaszczyzny to dopiero pierwszy krok. Co z konstrukcją? Do tego w naszym programie służy funkcja ASSEMBLIES. Jak to działa? W praktyce bardzo prosto. Na ekran wywołujemy dwa elementy i łączymy je przez określenie wspólnych osi powierzchni, krawędzi lub też odległości czy kątów między nimi. Ponieważ często elementy rysowane są w różnych układach współrzędnych, jest to najczęściej operacja w paru czy nawet kilku krokach. Skoro połączyliśmy dwa elementy, dołączenie trzeciego, czwartego… to już żaden problem. Koniecznie w tym miejscu należy zwrócić uwagę na pojęcie “układ współrzędnych”. Konstruktor w swej pracy przy komputerze przez cały czas “wykonuje akrobację”, bo dla niego, co prawda, początkiem jest określony podstawowy układ współrzędnych dla całego samolotu, czyli jego początek, góra, dół, prawo czy lewo, ale jak projektuje podwozie, to o wiele wygodniej mu przyjąć zupełnie inny układ współrzędnych. Kiedy w tym podwoziu rysuje amortyzator, a w amortyzatorze sworzeń – wykorzystuje kolejne układy. Jednym słowem konieczna jest wyobraźnia i brak bałaganiarstwa.

Wreszcie stworzyliśmy fragment konstrukcji, a teraz trzeba to przelać na papier w formie rysunków. Zasady rysunku technicznego nasz komputer ma w małym palcu, choć trzeba go nieco pokierować. Przede wszystkim w jakiej skali i na jakim formacie ma się zawierać nasz rysunek, jakie mają być rzuty, przekroje czy widoki i jak rozplanowane. Wreszcie, jakie wymiary i napisy (w tym tolerancje) życzymy sobie na nich umieścić. Po tym to już tylko “dogadanie się” między komputerem a ploterem i po chwili wysuwa się z tego ostatniego pięknie wykreślony rysunek, z nieskazitelną kaligrafią, z przekrojami i widokami, których nie wykonałby najzdolniejszy kreślarz.

Zdarza się, że w trakcie delektowania się naszym dziełem stwierdzamy, że dopiero na papierze dopatrujemy się np. że pompa, którą pracowicie ustawialiśmy w komputerze, ma błędnie podłączone przewody i żeby to naprawić trzeba ją przesunąć o kilka milimetrów w bok i obrócić o kilka stopni. Dla konstruktora starej generacji to klęska (rysunek musi być aktualny, a zmiana jest niezwykle pracochłonna). Dziś stosowną zmianę można wprowadzić często “od ręki”, a co najważniejsze również we wszystkich związanych z projektem rysunkach.

Sumując: mamy narzędzie (podkreślamy narzędzie), dzięki któremu konstruktor z jednej strony uwolniony jest od olbrzymiej ilości bezmyślnej pracy, z drugiej zaś ma więcej czasu i możliwości na dopracowanie i zoptymalizowanie swego dzieła już na etapie projektowania. To oczywiście dopiero pakiet podstawowy. Programiści z Unigraphicsa i innych firm przecież nadal pracują i z jednej strony tworzą coraz doskonalsze wersje programów, z drugiej, obok programu podstawowego tworzą programy uzupełniające w zasadniczy sposób zwiększające jego zastosowania w określonych dziedzinach.

Jeżeli chodzi o pierwszą kwestię, to kolejne wersje programu “czytają” dane ze starych wersji i można korzystać z efektów pracy konstruktorów wykonanych na poprzednich wersjach, w drugą stronę, niestety, jest to trudne lub wręcz niemożliwe i niezbędna jest wymiana programu na nowszy. Wiąże się to ze słoną opłatą za zmianę oprogramowania.

Dodatkowych programów jest natomiast naprawdę dużo. Począwszy od typowo konstrukcyjnych w rodzaju “widok przez szybę”, gdzie niektóre powierzchnie czy elementy na ekranie widoczne są jako przezroczyste, czy różnego rodzaju “mechanizmy”, czyli wizualizację w ruchu pewnego fragmentu konstrukcji z uwzględnieniem jego kinematyki obiektu, poprzez bezpośrednie przejęcie danych geometrycznych do obliczeń wytrzymałościowych (MES) z zakresu aeroelastyczności i innych, a skończywszy na programach, według których współczesne obrabiarki wykonują praktycznie bez udziału człowieka najbardziej skomplikowane detale.

Co dalej?

Myślę, że czeka nas dalsze zespalanie człowieka z komputerem, a ściślej rzecz biorąc, poprawa komunikacji między nimi. Co by tu bowiem nie powiedzieć współpraca ta dziś mimo wspaniałych efektów nie jest łatwa. Przeciętny inżynier, aby opanować system i wykorzystywać jego możliwości musi poświęcić na to co najmniej kilka miesięcy. Stąd też tak ważne są szkolenia i kursy organizowane zarówno przez dystrybutorów oprogramowania (w naszym przypadku firmę UGS z Warszawy), jak i uczelnie. Być może komuś ze swojego środowiska trochę się narażę, ale na podstawie rozmów z młodymi absolwentami naszych uczelni technicznych odnoszę wrażenie, że profesorowie na tych uczelniach nie w pełni zdają sobie sprawę, że nawet w naszym kraju rewolucja w projektowaniu nie nadchodzi. Ona już się dokonała.

Artykuł ukazał się w miesięczniku “Skrzydlata Polska” nr 3(2305)/2005

Autor: EDWARD MARGAŃSKI