Uvod u konstruiranje pomoću računala

Od crtaće daske do računalnog modela

Konstruiranje pomoću računala (CAD, engl. computer-aided design) ne mijenja jezik tehničkog crtanja. Projekcije, presjeci, kote, tolerancije i oznake hrapavosti ostaju isti kao u prethodnim modulima i uređeni su istim normama. Mijenja se način na koji crtež nastaje i ono što stoji iza njega.

2D CAD je računalna crtaća daska. Konstruktor crta crte, kružnice i lukove u ravnini, kotira ih i slaže poglede jedan pored drugoga, kao i na papiru. Program pomaže preciznošću, slojevima, ponavljanjem elemenata i brzim izmjenama, ali ne zna da nacrt i tlocrt prikazuju isti predmet. Ako se promijeni širina u nacrtu, tlocrt treba ispraviti ručno. 2D CAD i danas je uobičajen za sheme, rasporede opreme, tlocrte pogona, jednostavne limene razvijene oblike i za doradu starih crteža.

3D CAD polazi od modela predmeta u prostoru. Konstruktor gradi tijelo, a pogledi, presjeci i izometrija na crtežu izvode se iz njega. Svi pogledi prikazuju isti model pa ne mogu biti međusobno proturječni. Iz istog modela dobivaju se masa i težište, provjera sudara u sklopu, putanje alata za obradu, datoteka za 3D pisač i podloga za proračun metodom konačnih elemenata.

U strojarskoj praksi danas prevladava parametarski 3D CAD sustav (npr. SolidWorks, Inventor, Fusion, FreeCAD). Nazivi naredbi razlikuju se od programa do programa, ali pojmovi su isti: skica, ograničenje, značajka, stablo značajki, konfiguracija, sklop, crtež. Ove jedinice opisuju pojmove, a ne tipke jednog programa. Tko razumije pojmove, u novom programu traži samo gdje je koja naredba.

Vrste računalnih modela

Prema tome koliko podataka o predmetu sadrže, računalni se modeli dijele u tri skupine. Razlika se najbolje vidi na istom kvadru (slika 6.1).

Žičani model sadrži samo vrhove i bridove. Računalno je najjednostavniji i bio je prvi oblik 3D prikaza. Njegov je nedostatak dvoznačnost: iz skupa bridova ne vidi se koji je brid sprijeda, a koji straga, niti je li neka ploha puna ili je u njoj otvor. Nije moguće izračunati masu, napraviti presjek ni automatski ukloniti skrivene bridove.

Plošni model opisuje lica predmeta kao plohe bez debljine. Može prikazati složene, slobodno oblikovane površine (karoserije, kućišta, lopatice, kalupi) i dovoljan je za vizualizaciju i za dio putanja obrade. Međutim, plohe ne moraju biti zatvorene: između njih mogu ostati pukotine, pa program ne zna je li unutrašnjost puna.

Volumenski model (engl. solid) je zatvoreno tijelo. Za svaku točku prostora zna se je li u materijalu ili izvan njega. Zato se iz njega pouzdano računaju volumen, masa, težište i momenti tromosti, izrađuju presjeci sa šrafurom i provjeravaju sudari. Radionički crtež dijela u strojarstvu nastaje gotovo uvijek iz volumenskog modela.

Suvremeni sustavi kombiniraju sve tri vrste: plohe se koriste za oblikovanje zahtjevnih površina, a zatim se zatvaraju u tijelo; žičani prikaz ostaje kao način prikaza na zaslonu.

Modeliranje značajkama i parametrizacija

Parametarski model gradi se značajkama (engl. features). Značajka je jedna prepoznatljiva operacija oblikovanja koja ima tehnološko ili konstrukcijsko značenje: istiskivanje ploče, rotacija vratila, prolazni provrt, navojna rupa, skošenje, zaobljenje, utor, rebro, uzorak provrta. Većina značajki polazi od skice, dvodimenzionalnog profila u ravnini koji se ograničenjima i kotama potpuno definira (jedinica 6.2). Redom kojim su nastale, značajke se upisuju u stablo značajki, a program iz tog zapisa u svakom trenutku može ponovno izgraditi tijelo (jedinica 6.3).

Parametrizacija znači da su mjere modela varijable, a ne nacrtane duljine. Postoje tri razine:

• Dimenzije (kote) kao parametri. Kota 100 na skici ploče klizača nije samo natpis nego vrijednost koja određuje geometriju. Kad se promijeni u 120, ploča se produlji, a značajke vezane uz nju pomaknu se s njom.
• Jednadžbe i globalne varijable. Mjere se povezuju izrazima. Na primjer, duljina vodilice PS-1 može se zapisati kao L_vodilice = hod + duljina klizača − 20, a duljina vretena kao L_vretena = L_vodilice − 20. Uz hod 300 i klizač dug 100 dobiva se 380 za vodilicu i 360 za vreteno, što odgovara pozicijama PS1-01-005 i PS1-01-006. Kad se promijeni hod, sve duljine slijede.
• Konfiguracije (varijante). Jedan model sadrži tablicu inačica s različitim vrijednostima parametara, npr. os s hodom 200, 300 i 400. Svaka inačica dobiva svoju oznaku crteža i svoj red u sastavnici, a geometrija se održava na jednom mjestu.

Parametarski model vrijedi onoliko koliko su dobro odabrane namjera konstrukcije (engl. design intent) i veze među mjerama. Ako je provrt kotiran od ruba ploče, a trebao bi biti od osi vodilice, izmjena širine ploče pomaknut će ga na krivo mjesto. Zato se prije modeliranja odlučuje koje su mjere funkcijske i od čega se kotiraju, na isti način kao pri kotiranju radioničkog crteža u jedinici 4.1.

Asocijativnost: model, sklop i crtež

Asocijativnost je dvosmjerna veza između datoteka koje opisuju isti predmet. U parametarskom sustavu model dijela, model sklopa i crtež nisu tri kopije, nego tri pogleda na iste podatke (slika 6.2).

Kad konstruktor promijeni duljinu klizača PS1-01-004 sa 100 na 120, događa se sljedeće: model dijela ponovno se izgradi; u sklopu PS1-00-000 klizač se produlji, a dijelovi koji su na nj vezani zadržavaju svoje veze; na radioničkom crtežu klizača kota se promijeni u 120, pogledi se osvježe, a na sklopnom crtežu mijenja se prikaz. Nitko ne mora ručno ispravljati tri dokumenta.

Veza je u pravilu dvosmjerna: kota promijenjena na crtežu mijenja i model. To je korisno, ali i opasno. Crtež se tada ne smije shvatiti kao zaseban dokument koji se smije uređivati bez posljedica: svaka izmjena kote na crtežu jest izmjena dijela.

Asocijativnost prestaje u trenutku izvoza. Datoteka STEP ili STL poslana kooperantu snimka je modela u tom trenutku. Ako se model poslije izmijeni, kooperant i dalje ima staru geometriju. Zato se na izvezenu datoteku upisuju oznaka crteža i indeks izmjene, a o inačicama se vodi evidencija (modul 8).

Sučelje CAD sustava

Sučelja parametarskih CAD sustava razlikuju se izgledom, ali imaju iste funkcionalne dijelove. Tko ih zna prepoznati, u novom programu brzo se snalazi.

Rad u parametarskom CAD sustavu uvijek ide istim redom: postavi se jedinica (mm) i materijal, odabere ravnina, nacrta i potpuno definira skica, iz nje napravi značajka, i tako redom do gotovog dijela. Dijelovi se zatim slažu u sklop, a iz dijelova i sklopa izrađuju crteži. Dobra je praksa da se datoteka imenuje oznakom crteža (npr. PS1-01-004) i da se svojstva ispune odmah, a ne na kraju.

Formati datoteka i razmjena podataka

Svaki CAD sustav sprema modele u svoj izvorni format. On čuva stablo značajki, skice, parametre, konfiguracije i veze, ali ga u pravilu otvara samo isti program, često samo ista ili novija inačica. Za razmjenu s kooperantima, dobavljačima i drugim programima koriste se neutralni formati.

Pri izvozu u neutralni format gube se značajke i parametri: primatelj dobiva „mrtvo“ tijelo koje može mjeriti i obrađivati, ali ne i mijenjati parametrima. Za STL treba zadati točnost mreže. Provrt Ø12 opisan s premalo trokuta postaje mnogokut, a 3D pisač će ga tako i izraditi. Pri izvozu DXF-a za rezanje treba provjeriti mjerilo 1 : 1 i jedinice, jer se pogreška od faktora 25,4 (mm i inči) otkrije tek na stroju.

Isplati li se parametarski model?

Parametarski model traži više vremena na početku: treba promisliti namjeru konstrukcije, povezati mjere jednadžbama i složiti tablicu konfiguracija. Ulaganje se vraća kad dio ima više inačica. Neka je t₀ vrijeme za prvi model s crtežom, t_r vrijeme za svaku sljedeću inačicu bez parametrizacije (ručne preinake modela i crteža), t_p dodatno vrijeme za parametrizaciju, a t_v vrijeme za inačicu promjenom parametara. Za n inačica:

T_bez = t₀ + (n − 1) · t_r     T_par = t₀ + t_p + (n − 1) · t_v

Parametrizacija se isplati kad je T_par < T_bez, odnosno kad je (n − 1) · (t_r − t_v) > t_p.

Uz zadane vrijednosti (klizač PS-1 u šest inačica za različite teretne ploče; prvi model s crtežom 90 min, ručna preinaka 45 min, parametrizacija 40 min, inačica iz tablice 8 min) bez parametara treba 90 + 5 · 45 = 315 min, a s parametrima 90 + 40 + 5 · 8 = 170 min. Ušteda je 145 min ili oko 46 %. Prag isplativosti je tri inačice: za dvije je parametarski put još malo sporiji (138 prema 135 min), a za tri već brži (146 prema 180 min). Vremena su procjena za primjer; stvarna ovise o dijelu i iskustvu, ali oblik zaključka ostaje isti. Kod dijela koji se radi jednom i nikad ne mijenja, dodatna parametrizacija nije potrebna, dok je kod obitelji dijelova ona temelj rada.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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