Tehničko crtanje kroz povijest

Prije pravila: skica i majstor

Ljudi su tehničke predmete crtali tisućama godina prije nego što je itko propisao kako se to radi. Graditelji hramova i katedrala urezivali su obrise lukova i kamenih profila u žbuku ili na daske u stvarnoj veličini, a klesari su po njima izrađivali šablone. Renesansni inženjeri ostavili su bilježnice pune crteža strojeva, dizalica, mlinova i vojnih naprava. Ti su crteži često izvanredno lijepi i vjerni, ali gotovo nikad nemaju mjere, a prikazani su u perspektivi ili kao prostorna skica.

Razlog je jednostavan: onaj tko je crtao najčešće je bio i onaj tko je izrađivao. Crtež je bio podsjetnik, ideja ili ponuda naručitelju, a mjere su se određivale na mjestu, po iskustvu i po uzoru na već izrađen komad. Znanje je putovalo od majstora na naučnika, a ne preko papira. Posljedica je bila da se dva „ista“ predmeta iz dvije radionice nisu mogla zamijeniti: svaki je dio bio prilagođen upravo svojem paru.

Za današnje shvaćanje tehničkog crteža nedostajale su dvije stvari: metoda kojom se prostorni predmet točno i mjerljivo prikazuje u ravnini i dogovor o znakovima kojim svi čitaju isto. Prvo je donijela nacrtna geometrija krajem 18. stoljeća, a drugo industrijalizacija i normizacija u 19. i 20. stoljeću.

Nacrtna geometrija

U drugoj polovici 18. stoljeća u Francuskoj je pri projektiranju utvrda razvijena metoda koja je problem prikazivanja riješila geometrijski. Predmet se ortogonalno projicira na dvije međusobno okomite ravnine, vodoravnu i uspravnu, a ravnine se zatim zaokrenu u jednu ravninu crteža. Tako se dobivaju tlocrt i nacrt, povezani ordinalama. Iz dviju (ili triju) projekcija može se očitati prava veličina svakog brida i kuta, odrediti presjek dvaju tijela ili prava veličina kose plohe — računski i grafički, bez pogađanja.

Metoda je dugo vrijedila kao vojna tajna, jer je omogućavala brzo i točno projektiranje utvrda. Javno ju je predavao i sustavno opisao francuski matematičar Gaspard Monge; predavanja su održana 1795., a knjiga o nacrtnoj geometriji objavljena je 1799. Otada je nacrtna geometrija temeljni predmet inženjerskog obrazovanja, a ortogonalne projekcije osnova svakog strojarskog crteža do danas.

Industrijska revolucija i normizacija

Parni stroj, alatni strojevi i tvornice promijenili su odnos između onoga tko crta i onoga tko izrađuje. Konstruktor i radnik više nisu bili ista osoba, često nisu radili ni u istoj zgradi, a dio se izrađivao u stotinama komada. Početkom 19. stoljeća u proizvodnji oružja uvedena je zamjenjivost dijelova: svaki dio iz serije mora pristati u svaki sklop bez dorade. To je moguće samo ako crtež propisuje mjere, a radionica ih provjerava mjerilima i kalibrima. Tako je nastala ideja dopuštenog odstupanja, iz koje se kasnije razvio sustav tolerancija i dosjeda (ISO 286).

Crteže je trebalo i umnožavati. Od 1840-ih poznat je fotokemijski postupak cijanotipije, a krajem 19. stoljeća postao je uobičajen način kopiranja crteža: original na prozirnom papiru polagao se na osjetljivi papir i osvjetljavao, pa se dobivala kopija s bijelim crtama na plavoj podlozi. Po njoj se u engleskom jeziku i danas plan zove „plava kopija“.

Kako je rasla razmjena dijelova među tvornicama i državama, bilo je nužno uskladiti mjere, navoje, formate papira i način prikazivanja. Sredinom 19. stoljeća pojavili su se prvi normirani navoji. Godine 1917. osnovan je njemački odbor za norme, koji je 1918. objavio svoju prvu normu (za konusne zatiče); ubrzo su nastala nacionalna normizacijska tijela u drugim zemljama. Međunarodno elektrotehničko povjerenstvo (IEC) djeluje od 1906., a Međunarodna organizacija za normizaciju (ISO) osnovana je 1947. Danas se u Hrvatskoj međunarodne i europske norme preuzimaju kao hrvatske norme s oznakom HRN.

Crtaća daska

Kroz veći dio 20. stoljeća konstrukcijski ured izgledao je jednako u svakoj tvornici: redovi nagnutih crtaćih dasaka s crtaćim strojem (paralelogramskim ili s vodilicama), koji drži dva okomita ravnala pod bilo kojim kutom. Crtalo se olovkom na papiru ili tušem na paus-papiru, s tehničkim olovkama propisanih debljina, šablonama za pismo i kružnice te šestarom. Glavni konstruktor izrađivao je sklopni crtež i proračune, a crtači su iz njega izvlačili radioničke crteže dijelova.

Ručno crtanje imalo je stroga pravila jer je svaka pogreška bila skupa. Tuš se brisao žiletom ili gumicom s mrežicom, a veća izmjena značila je novo crtanje cijelog lista. Svaki original pohranjivao se u arhivu, a u radionicu su išle samo kopije. Kad bi se promijenila mjera na sklopnom crtežu, trebalo je ručno pronaći i ispraviti sve radioničke crteže na koje ta mjera utječe — i pritom ne zaboraviti nijedan.

Mnogo toga što danas radi CAD sustav naslijeđeno je iz tog razdoblja: formati papira, vrste i debljine crta, tehničko pismo, raspored zaglavlja i sastavnice. Ta su pravila nastala da crtež bude čitljiv nakon višestrukog kopiranja i u lošem svjetlu radionice — i zato vrijede i za crtež ispisan iz računala.

Od prvog programa do 2D CAD-a

Računalo je u tehniku najprije ušlo na drugom kraju lanca. Pedesetih godina 20. stoljeća razvijeni su prvi numerički upravljani alatni strojevi, koji su putanju alata čitali s bušene trake. Program se pisao iz podataka s crteža, pa se odmah pojavila želja da se crtež i program povežu. Godine 1963. nastao je prvi interaktivni program za crtanje: korisnik je svjetlosnom olovkom crtao izravno po zaslonu, a program je poznavao geometrijska ograničenja (paralelnost, okomitost, jednakost duljina) i kopije koje se mijenjaju zajedno s izvornikom. Te dvije ideje temelj su i današnjih CAD sustava.

U 1970-ima zrakoplovna i automobilska industrija razvile su velike sustave za crtanje i modeliranje ploha na središnjim računalima. Bili su skupi i zahtijevali posebnu opremu, pa su bili dostupni samo najvećima. Prekretnica je došla početkom 1980-ih, kad se 2D CAD pojavio na osobnim računalima. Crtanje je i dalje bilo „crtanje crta“, samo brže i urednije: crtež se mogao pohraniti, umnožiti bez gubitka kvalitete, ispisati crtačem (ploterom) i mijenjati bez brisanja. Slojevi (layeri) zamijenili su prozirne folije, a blokovi šablone.

2D CAD ipak nije riješio glavni problem izmjena. Nacrt, tlocrt i bokocrt i dalje su bili nezavisni skupovi crta, a radionički crteži nezavisni od sklopnog. Promjena mjere u jednom pogledu nije se sama prenosila u drugi.

Parametarski 3D, PLM i crtež u modelu

Krajem 1980-ih pojavili su se sustavi za parametarsko 3D modeliranje zasnovano na značajkama. Konstruktor više ne crta projekcije, nego gradi prostorni model od značajki (izvlačenje, provrt, zaobljenje, uzorak) čije su mjere parametri. Crtež se iz modela dobiva projiciranjem, a veza je asocijativna: promijeni li se promjer provrta u modelu, mijenjaju se i sve projekcije, presjeci i kote na svim crtežima koji taj model prikazuju. Sredinom 1990-ih takvi su sustavi postali dostupni na osobnim računalima i danas su uobičajen alat konstruktora.

S modelima je naraslo i pitanje kako upravljati tisućama datoteka. Sustavi za upravljanje podacima o proizvodu (PDM) vode inačice, odobrenja i veze među modelima, crtežima i sastavnicama. Njihov nastavak je PLM (upravljanje životnim ciklusom proizvoda), koji podatke prati od zahtjeva kupca i koncepta preko proizvodnje do servisa i zbrinjavanja, a povezuje konstrukciju s nabavom, tehnologijom i proizvodnjom.

Posljednji korak je definicija proizvoda u modelu (MBD, engl. model-based definition). Tolerancije, hrapavosti, napomene i materijal upisuju se izravno u 3D model kao podaci o proizvodnji i izradi (PMI), a model postaje glavni, mjerodavni dokument. Pravila takvog označavanja propisuje ISO 16792. Model se dobavljaču šalje u neutralnom obliku (npr. STEP prema ISO 10303), a iz njega se izravno programiraju CNC strojevi i mjerni uređaji. Klasični crtež tada ostaje samo za dijelove i partnere kojima je potreban.

Ručno ili u CAD-u: koliko vrijede izmjene

Prvi crtež jednostavnog dijela iskusan crtač na dasci često nacrta brže nego što početnik u CAD-u izradi model i iz njega crtež. Prednost računala ne vidi se na prvom crtežu, nego na izmjenama. Svaki proizvod tijekom razvoja prođe nekoliko krugova izmjena, a jedna izmjena (npr. drukčiji promjer vodilice) pogađa više crteža odjednom: radionički crtež vodilice, crtež klizača s provrtima za linearne ležajeve, crteže nosača i sklopni crtež. Na dasci se svaki pogođeni crtež ispravlja posebno. U parametarskom CAD-u mijenja se model, a asocijativni crteži se osvježavaju sami; ostaje samo pregled.

T_ručno = t_r0 + n · m · t_ri     T_CAD = t_c0 + n · t_ci

Ovdje je n broj izmjena, m broj crteža na koje svaka izmjena utječe, t_ri vrijeme ispravka jednog crteža na dasci, a t_ci vrijeme izmjene modela i pregleda crteža u CAD-u. Najmanji broj izmjena od kojeg je CAD brži dobiva se iz uvjeta T_CAD ≤ T_ručno: n ≥ (t_c0 − t_r0) / (m · t_ri − t_ci). Vrijednosti vremena u primjeru su pretpostavke za vježbu, a ne izmjereni podaci.

S početnim vrijednostima (prvi crtež 6 h ručno ili 8 h u CAD-u, ispravak jednog crteža 1,5 h, izmjena modela 0,4 h, tri pogođena crteža) ručni rad nakon pet izmjena traje 6 + 5 · 3 · 1,5 = 28,5 h, a CAD 8 + 5 · 0,4 = 10 h, što je ušteda od približno 65 %. Granica isplativosti je (8 − 6) / (3 · 1,5 − 0,4) ≈ 0,49, dakle CAD je brži već od prve izmjene. Postavite broj pogođenih crteža na 1: granica raste na oko 1,8, pa CAD postaje brži tek od druge izmjene. Zaključak vrijedi za os PS-1 i za svaki proizvod: što su dijelovi međusobno povezaniji i što je više izmjena, to je veća prednost asocijativnog modela.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.