1. PROJEKTOVANJE RAČUNAROM – DR MIOMIR JOVANOVIĆ
1
23. Februar 2007.
Predavanje 1
Projektovanje računarom
CAD KORIŠĆENJE RAČUNARA ZA PRORA ČUNE MAŠINA Proračun primenom računara je danas popularan, pre svega, zbog sve ve ćeg broja softverskih paketa na tržištu i mogu ćnosti šireg sagledavanja svojstava, tretiraju ći strukturu mašine velikim brojem provera. provera. Ova prednost je zapravo ograni čenje klasičnog projektovanja koje izvodi čovek bez računara, zbog čega su razvijane mnoge tehnike iznalaženja kritičnih lokacija i njihove provere. Podkategorije ove grupacije su:
a. Analiza opterećenja konstrukcije: (Load analysis) analysis) složenih sistema i njihovo definisanje. Kod dizalica ovim metodama se na svim pojedinim članovima identifikuju izazvani uticaji od dejstva vetra, dinamičkih pojava u toku rada, ljuljanja tereta, havarijskih stanja, slučajnih uticaja, kombinacija dejstava i drugo. Ovakve analize u projektovanju, zbog broja mogu ćih stanja opterećenja i ukupnog broja članova konstrukcije, isključivo se rade računarom.
b. Proračun kompaktnih veza: Sklopovi visokog stepena integracije komponenata kao što su prenosnici snaga, spojnice, sklopovi točkova, klipne pumpe, hidro-motori, ležajevi i drugo, odlikuju se kontaktnim naprezanjima. naprezanjima. Za svaku kategoriju mašinskih elemenata razvijena je metodologija specifičnog proračuna koja se izu čava u mašinstvu. Svaka od ovih metodologija proračuna efikasno se realizuje ra čunarom a koriste se i opštije numeričke metode mehanike kontinuuma. Jedna od tih numeri čkih metoda je FEM.
2
1. PROJEKTOVANJE RA^UNAROM
c. Proračun stabilnosti konstruktivnih elemenata: Predmet analize su: klipnja če, podizači, balansirajuće poluge (balanseri), pojasni štapovi i štapovi ispune rešetkastih nosa ča, tanki zidovi razli čitih avio konstrukcija (krila i oplata trupa), brodske konstrukcije itd.
d. Proračun dinamičkih svojstava konstrukcija. Podrazumeva odredjivanje sopstvene frekvencije i sopstvenih oblika oscilovanja kod mašina različitih tipova: turbina, mlinova, vibracionih sita, vibracionih transportera, motora i prenosnika snage, ali i složenijih sistema kao što su avio-letilice, kontejnerske dizalice, roto bageri itd.
e. Proračun pogonske čvrstoće mašinskih delova. Odnosi se na proračun čvrstoće varova, zamor zamor materijala materijala i prslinu i prslinu u konstrukciji. Uslovi pri kojima se traži čvrstoća, su na niskim temperaturama ili metalurške opreme za rad sa rastopinama.. rastopinama
1. PROJEKTOVANJE RAČUNAROM – DR MIOMIR JOVANOVIĆ
3
f. Proračun kinematike mašinskih sistema. To su proračuni putanja mehanizama, raznih prenosnika snage i pokretnih nose ćih struktura. Specijalizovana grafi čka oprema računara koristi se za brža i pouzdanija izračunavanja kinematskih rešenja i omogu ćuje vizuelnu kontrolu. kontrolu.
g. Optimizacija konstrukcija. Metodama optimizacije mogu se ostvariti specifične osobine konstrukcija. To se postiže iz uslova minimuma kod sinteze geometrije lakih konstrukcija, Tehničke projekte konstrukcija prate jednociljni i višeciljni zadaci optimizacija sa brojnim ograničenjima. Za projektovanja sa više optimalnih ciljeva koristi se Pareto koncept. Prednost ovog koncepta nad klasi čnim je u istovremenoj sintezi geometrije konstrukcije po nekoliko tehni čkih osnova.
h. Proračun pouzdanosti: U širem smislu, pouzdanost iskazuje kvalitet upotrebljivosti sklopa, mašine ili sistema. Proračun pouzdanosti je redovan, a često i osnovni zadatak projektovanja odgovornih i važnih sistema. Primera radi, kod nose ćih struktura letilica, pouzdanošću se iskazuje sposobnost stajnog trapa da izdrži dinami čke udare pri sletanju u toku eksploatacionog veka, a da pri tome dâ manji broj funkcionalnih otkaza od minimalno propisanog.
PROJEKTOVANJE PROJEKTOVANJE TEHNOLOGIJA I PODRŠKA ROIZVODNJE Poslovi projektovanja tehnoloških postupaka u tradicionalnim delatnostima mogu biti podržani računarom jer je to rutinska delatnost. Ovim postupcima se obrazuje radionička dokumentacija proizvoda koja, osim konstruktivne dokumentacije, sadrži i dokumentaciju alata i specifi čnih resursa za proizvodnju, tehnološke parametre proizvodnje za odredjene mašine. Ovde su objedinjene delatnosti planiranja, selekcije projektovanja sklopova i tehnoloških proračuna. Često je računarom integrisan i proizvodni sistem (proizvodne i transportne mašine i uskladištenje). Primeri proizvodnih mašina upravljanih ra čunarskom tehnologijom (CNC):
4
1. PROJEKTOVANJE RA^UNAROM • • • • • •
mašina za krojenje limova ili tkanina, mašine za obradu rezanjem, erozijom, brizganjem itd, mašine za pakovanje, doziranje, bojenje, mašine za merenja i kontrolu kvaliteta itd., mašine za regalno uskladištenje i komisioniranje proizvoda, montažne linije u autoindustriji sa sistemom konvejera, monorovera.
UPRAVLJANJE MAŠINAMA Klasičan pristup automatizaciji mašina se izvodi prostim upravljačkim uredjajima kao što su električne sklopke i releji, mehanički i elektromehanički programatori. Nedostatak Nedostatak je što je potrebno obilje veza izmedju komponenata. Stoga se upravljanje danas modernije realizuje primenom mikroprocesora. Ovi sklopovi sada sadrže program realizacije odredjenih upravljačkih procedura, shodno razvoju logičnog redosleda toka operacija. Kod transportnih mašina, primenom mikroprocesora se rešavaju sledeći zadaci: • • • • • • •
prigušenje oscilovanja visećih tereta odgovarajućom pobudom, zadavanje kinematike svih komponenata velikih masa i brzina, upravljanje linijom kretanja grabilice u pretovaru sitnog materijala, minimizacija dinamičkih pojava pri dizanju, osiguranje od mogućih preopterećenja kod mobilnih dizalica, skraćenje vremena čekanja ugradnjom komunikacijskih procesora, upravljanje pozicioniranjem u skladištu itd.
PRIMENA RAČUNARA U EKSPERIMENTALNOJ EKSPERIMENTALNOJ ANALIZI Eksperiment je, verovatno, najobjektivnija kategorija razvoja konstrukcija. Eksperiment je stara kategorija provere stanja objekata i redovno je prisutan u proizvodnji. Poznat je pod mnogim imenima: probna montaža, probna vožnja, probna šarža, ispitivanje prototipa itd. Kada je potrebno na mašinama vršiti ispitiva nje njihovih karakteristika, povoljno je iskoristiti računar za prikupljanje i smeštaj podataka. Rezultati obavljenih ispitivanja se mogu grafički interpretirati na monitoru računara, dodatno obradjivati pa čak i koristiti za simulacije realnih uslova u labolatorijama. Prednost digitalnog beleženja rezultata merenja nad analognim je u mogućnosti gušćeg zapisa, dakle, sa više podataka. Multiplekseri,, obezbedjuju rasporedjivanje mernih veličina u memoriji računara, i A/D konvertori Multiplekseri omogućuju prijem na više stotina kanala i nekoliko desetina hiljada informacija u sekundi. Laboratorijska ispitivanja sastavni deo uspešnih industrija, a eksperiment etapa razvoja i verifikacije proizvoda.
Definicija: PROJEKTOVANJE RAČUNAROM Proces projektovanja predstavlja nalaženje nau čno opravdanog tehničkog rešenja koje se praktično može realizovati, a da pri tome zadovolji i ekonomske kriterijume. U užem smislu, projektovanje predstavlja definisanje tehni čkog rešenja sa funkcionalnog, sadržajnog sadržajnog i konstruktivnog aspekta.
1. PROJEKTOVANJE RAČUNAROM – DR MIOMIR JOVANOVIĆ
5
Projektovanje može imati i kompleksniji sadržaj, kada se postavljaju zahtevi traženja optimalnih svojstava, pouzdanosti komponenata i funkcija i druga specifična svojstva. Nakon projektovanja, sledi KONSTRUISANJE KONSTRUISANJE TEHNIČKOG SADRŽAJA i ono predstavlja definitivno oblikovanje konstrukcije kojim se definišu: geometrija (karakteristične dimenzije), materijal, način montaže, tolerancije, hrapavost i drugo. Očigledno da se konstruisanje vrši na bazi projektovanja i njime se precizira konačno rešenje konstrukcije. Iz aktivnosti konstruisanja nastaje konstrukciona dokumentacija. Dalji tok korišćenja konstrukcione dokumentacije (slika 1.1) odvija se kroz pripremu za proizvodnju i ta delatnost više ne pripada projektovanju i konstruisanju, već tehnološkoj pripremi. Iz tehnološke pripreme pripreme nastaje nastaje radioni radionička dokumentacija koja sadrži, pored konstrukcione dokumentacije, i tehnološku dokumentaciju. Tehnološku dokumentaciju čine: dokumentacija opreme i alata za proizvodnj proizvodnju, u, dokumen dokumentacij tacijaa kontrole kontrole i dokument dokumentacija acija izvršenih izvršenih ispiti ispitivanja. vanja.
Slika 1.1 Aktivnosti nastanka proizvoda proizvoda podržane računarom Klasična organizacija postupka projektovanja i pripreme proizvodnje dozvoljava primenu ra čunara za efikasniju realizaciju ovog procesa. Postupak uvodjenja računara uslovljen je formiranjem baze formiranjem baze podataka do nivoa radioničke dokumentacije prizvoda. Aktivnosti projektovanja i konstruisanja primenom ra čunara poznate su u stru čnoj javnosti pod engleskim nazivom: Computer Aided Design (CAD). Skraćenicu CAD predložio je T. D. Ross (USA) i ona je uvedena u terminologiju 1979. Skraćenica je simbol tehnologija projektovanja ra čunarom. Uvodjenje računara u oblasti pripreme proizvodnje (Computer Aided Planing - CAP). Sama proizvodnja podržana računarom poznata je pod engleskim nazivom Computer Aided Manufacturing (CAM).
CAD daje slede će prednosti projektovanju: • • •
•
•
•
viši nivo kvaliteta (tačnost, finoća), realizuje najobimnije zadatke i oslobadjanje čoveka rutinskog posla, vizuelnu interpretaciju forme koja omogućuje pre izrade, ocenu funkcionalnih i estetskih vrednosti proizvoda, omogućava specifične analize (proračuni lokalnih napona kod brzih procesa i složenih struktura) iz čega sledi poboljšanje sklopa pre izrade, omogućuje brzu izradu tehničke baze podataka, počevši od tehničkih crteža do tehnoloških instrukcija za automatizovanu izradu, široko integrisana proizvodnja računarom (Computer Integrated Manufacturing - CIM)
Izvan CAD delatnosti, primena računara otvara mogućnosti daljih modernizovanja proizvodnje. Uvodjenjem CIM koncepta, integrišu se ostale aktivnosti proizvodnih sistema, slika 1.2: • •
prilagodjavanje proizvodnje potražnji, odredjivanjem dinamičkih parametara, planiranje (količine materijala, termin planovi, radna snaga, distribucija zadataka),
6
1. PROJEKTOVANJE RA^UNAROM •
• • •
povezivanje sa spoljašnjim izvorima (nacionalnim i svetskim) informacija (komiteti, berze, proizvodjači, distributeri, transport, uskladištenje, pretovar) o robi i sirovinama, praćenje poslovanja (finansijskih tokova, zaliha robe, materijala), praćenje proizvoda u eksploataciji (servis, kvalitet, korekcije tehnologija, održavanje), koordiniraju osnovne fabričke aktivnosti (marketing, planiranje, investicije).
OKRU@ENJE
SISTEMA
Slika 1.2 Aktivnosti koje su integrisane integrisane CIM konceptom
KONSTRUKCIONA DOKUMENTACIJA Osnovni produkt projektovanja je konstrukciona dokumentacija. Kod klasičnog projektovanja, ona se formira na papiru i dalje distribuira kroz tehničku pripremu u proizvodnju. Kod primene računara u projektovanju, tok je isti, samo je dokumentacija prisutna na različitim medijumima. U principu, kod kompletnih CIM sistema dokumentacija ne mora da bude crtana sa čvrstim otiskom. Konstrukciona dokumentacija se realizuje u sledećim etapama (slika 1.3): • • • • • • •
postavljanje zadatka, prikupljanje informacija, analiza informacija, sastavljanje tehničkog predloga, izrada idejnog projekta, izrada tehničkog projekta i izrada tehničke dokumentacije.
Slika 1.3 Etape nastanka konstrukcione konstrukcione dokumentacije Konstrukcionu dokumentaciju čine razne vrste dokumenata: • • •
radionički crtež za izradu i kontrolu, sklopni crtež, crtež opšteg izgleda (forma, princip rada),
1. PROJEKTOVANJE RAČUNAROM – DR MIOMIR JOVANOVIĆ • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
7
teorijski crtež (pokazuje raspored pozicija), gabaritni crtež (geometrija sa priključnim i montažnim mer.), elektro-montažni elektro-montažni crtež, montažni crtež (podaci za postupak montaže), crtež pakovanja, crtež ambalaže, šema veza, specifikacija (spisak delova sklopa), spisak specifikacija (to je spisak svih specifikacija), spisak uputstava (popis svih dokumenata), spisak poluproizvoda koji se kupuju kao gotova roba, spisak pravnih lica koja poseduju originalnu dokumentaciju, specifikacija idejnog projekta, spisak tehničkog projekta, spisak idejnog projekta, objašnjenje (tehničkog rešenja i principa rada), tehnički uslovi (norme za kontrolu, prijem i isporuku), program i metode ispitivanja (isporuka, prijem, periodična kontrola), proračun, tabele, eksploatacioni dokumenti (održavanje, kvarovi), remontni dokument, karta tehničkog nivoa i kvaliteta, ostali dokumenti (nomenklature, prospekti, tehnološke karte). •
•
Današnji stepen CIM sitema ne zahteva izradu svih dokumentacije sa čvrstim otiskom. U budućnosti, kategorija dokumenata na papiru trebalo bi potpuno da nestane. Može se očekivati racionalizacija i standardizacija informatičke dokumentacije proizvoda.
STRUKTURA PROCESA PROJEKTOVANJA Objekat projektovanja može biti proizvod ili proces kod projektovanja tehnologija. Projektovanje računarom je automatizovan proces, različitog stepena automatizovanosti. Najčešće je proces projektovanja u dijalogu, a kod rutinskih zadataka, samo izvršni. Način projektovanja zavisi od poslova i od raspoloživih uslova (softvera i hardvera). ha rdvera). Analiza složenih tehničkih objekata u projektovanju vrši se prema tehnickim aspektima i hijerarhijskim nivoima, slika 1.4. Tehnički aspekti definišu funkcionalna, konstruktivna, tehnološka i eksploataciona svojstva objekata. Funkcionalni aspekt definiše osnovnu funkciju ili proces rada. Konstruktivni aspekt definiše sadržaj i formu objekta. Tehnološki aspekt definiše tehnološku moć objekta, vrste procesa izrade i drugo. Eksploatacioni aspekt definiše ponašanje objekta u eksploataciji. Složenost objekta može biti veća ili manja. Otuda u okviru svakog aspekta: hijerarhijski nivoi: objekat kao celina, funkcionalni podsistemi (noseća konstrukcija, pogonski uredjaji, komandni uredjaji itd.), delovi podsistema (sklopovi) i delovi sklopova (elementi). Broj hijerarhijskih nivoa, zavisi od stepena složenosti objekta. Prema hijerarhijskim nivoima, projektovanju se pristupa po različitim osnovama.
8
1. PROJEKTOVANJE RA^UNAROM
Slika 1.4 Struktura procesa projektovanja
Procedure projektovanja: Projektovanje može biti izvedeno proceduramasinteze procedurama sinteze i procedurama analize analize.. Danas se obe metode koriste u projektovanju računarom (CAD), U klasičnom projektovanju (bez upotrebe računara), metode sinteze koriste selektivno prema izgradjenom znanju i uhodanom inženjerskom pristupu.
CILJEVI BANKA ZNANJA (ISKUSTVO)
OSOBINE KONSTRUKCIJA OPTERECENJA
STATICKO, DINAMICKO, TERMICKO OPIS KONSTRUKCIJE
CAD MODEL MODIFIKACIJE MODELA
PRORACUN OSOBINA MEHANICKOG MODELA OCENA REZULTATA
KRITERIJUMI OCENE KONSTRUKCIJA
KONACNO RESENJE KONSTRUKCIJE
Slika 3.01 Koncept koriš koriš ćenja metoda analize u projektovanju
Procedure sinteze polaze od zadatih svojstava, funkcije, nazivnih parametara (definisanih projektnim ili istraživačkim zadatkom), a završne aktivnosti daju geometriju i konstruktivnu dokumentaciju. Kako treba operisati sa realnim geometrijskim veličinama, metode sinteze koriste na svakom hijerarhiskom nivou početni-pretpostavljeni opis, formirajući ga iz ograničenja definisanih na početnim hijerarhijskim nivoima. Procedure analize polaze od pretpostavljene geometrije konstrukcije i koriste je za analizu po različitim osnovama (aspektima) i na različitim hijerarhijskim nivoima. Na ovaj način se proverava ispravnost početnog konstruktivnog opisa objekta. Na početku projektovanja metodama analize dobija se rešenje koje polazi od proizvoljnih pretpostavki pa zato i najviše odstupa od kriterijuma koji su zadati sa prethodnog hijerarhijskog nivoa. Ovakva rešenja ne mogu biti verifikovana verifikovana,, ali su zato poznati kriterijumi koji nisu zadovoljeni, pa se prema njima vrši korekcija za novu analizu. U klasičnom postupku projektovanja, verifikacija se izvodi uvek prema specifičnim elementima konstrukcije. Kod projektovanja računarom (CAD), potrebna je opštija logika koja bi važila za svaku problematiku u istoj stručnoj grupaciji (mašinstvo, gradjevinarstvo, elektronika, dizajn).
