productică Și tehnologii moderne

PRODUCTIC SI ' TEHNOLOGII MODERNE

-Note de curs, Master SCR, 2012-

Prof. univ. dr. ing. Mircea NIULESCU

)

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE '

Note de curs

- CUPRINS -

1. ASPECTE INTRODUCTIVE ASUPRA NOIUNII DE FABRICAIE (21 pag.) 1.1 Fabricaia n istoria omenirii 1.2 Fabricaia n prezent 1.3 Tendine noi in fabricaie, aportul tehnologiei informaiei 1.4 Fabricaia virtual, definiii, elemente i trsturi

1-1 1-1 1-4 1-8 1-12

2. EXEMPLE DE STUDII VIRTUALE VIZUALIZATE PRIN INTERFEE GRAFICE GUI (12 pag.) 2-1 2.1 Introducere 2-1 2.2 Studii virtuale pentru produse i tehnologii de fabricaie 2-1 2.3 Studii virtuale pentru procese de fabricaie 2-6

3. PLATFORME SOFTWARE CAR (23 pag.) 3-1 3.1 Introducere 3-1 3.2 Aplicaii ale sistemelor CAR 3-2

3.2.1 Proiectarea i modelarea funcional a roboilor 3-2 3.2.2 Teleoperarea 3-2 3.2.3 Programarea off-line 3-3 3.2.4 Simularea 3-4

3.3 Componente unui sistem CAR 3-5 3.3.1 Interfaa grafic cu utilizatorul 3-5 3.3.2 Modelarea geometric asistat de calculator CAD 3-5 3.3.3 Detecia coliziunilor 3-6 3.3.4 Simularea proceselor complexe 3-7 3.3.5 Simularea senzorial 3-7 3.3.6 Faciliti speciale 3-8

3.4 Planificarea micrii 3-8 3.5 Calibrarea 3-12

3.5.1 Etapele calibrrii 3-13 3.5.2 Calibrarea robotului 3-14 3.5.3 Calibrarea efectorului robot 3-16 3.5.4 Calibrarea celulei de fabricaie 3-17 3.5.5 Metode de calibrare 3-18

3.5.5.1 Calibrarea celulei de fabricaie prin locaii memorate succesiv 3-18 de ctre robot

3.5.5.2 Calibrarea robotului i a celulei folosind dispozitive externe 3-19 de msur

3.5.5.3 Calibrarea robotului prin vectori de coordonate 3-20 3.5.5.4 Calibrarea efectorului 3-21

3.6 O imagine comercial asupra sistemelor CAR 3-21 3.7 Concluzii 3-23

..

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE - Note de curs- M. Nltulescu

1. ASPECTE INTRODUCTIVE ASUPRA NOIUNII DE FABRICAIE

1.1 Fabricatia n istoria omenirii

De-a lungul istoriei civilizaiei umane, metodele i soluiile de fabricaie au cunoscut o evoluie i o perfecionare continu, n paralel cu dezvoltarea nivelului de

cunoatere, a cerinelor pieei i a conjuncturilor economica-sociale. Evolutiv, principalele forme de organizare a fabricaiei au fost urmtoarele, cu precizarea c acestea continu s coexiste i n prezent deoarece rspund integral nevoilor sociale: Fabricaia manufacturier (fabricaia de serie mic, foarte mic sau unicat) Fabricaia de mas (fabricaia de serie mare) Fabricaia orientat pe loturi individualizate (fabricaia de serie medie).

r:J Fabricaia manufacturier este forma cea mai veche cunoscut n istoria omenirii. Ea a fost introdus nc din cele mai vechi timpuri, atunci cnd moneda nu fusese nc inventat iar majoritatea schimburilor se realizau n piee direct n produse. Principalele trsturi sunt: Produsul era conceput, realizat i vndut de un singur meteugar sau de un grup

restrns (adesea membrii aceleiai familii). Evoluia produsului i a tehnologiei de fabricaie erau asigurate prin continua

specializare a meteugarului de-a lungul vieii, precum i de cerinele pieei. Desfacerea produsului se realiza direct de ctre productor, la nceput prin schimb

n natur, apoi contra moned, ceea ce permitea reluarea ciclului de fabricaie.

Fabricaia manufacturier continu s existe i n prezent, iar o caracteristic fundamental a sa este "puternica specializare (calificare) a productorului" n privina tuturor fazelor, aspectelor i tehnologiilor fabricaiei. Acum, fabricaia manufacturier este folosit pentru a realiza produse n serie mic, foarte mic sau unicat. Cteva exemple ar putea fi: fabricaia motoarelor de nave maritime, fabricaia unor tipuri de avioane, fabricaia la comand a hainelor sau nclmintei, construcia unei case, fabricarea prototipuri lor, fabricarea unor matrie, etc.

r:J Fabricaia de mas a aprut n secolul al XVID-Iea n domeniul esturilor, ca urmare a dezvoltrii sociale i implicit a creterii cererilor din pieele de desfacere. ntruct organizarea manufacturier a fabricaiei nu mai putea rspunde cerinelor tot mai mari de pe pia, s-au realizat primele concentrri ale productorilor din domeniu. Astfel au aprut primele "ateliere meteugreti", iar apoi "fabrici". Acestea au nceput s dezvolte noi trsturi caracteristice ale fabricaiei: Pentru fiecare etap a fabricaiei au fost concepute scule, dispozitive, iar ulterior

maini-unelte specializate, adic resurse dedicate pentru procesul de fabricaie. Un muncitor realizeaz o singur operaie sau un grup foarte restrns de operatii

din aceiai categorie, ceea ce a introdus pentru prima dat conceptul de specializare n munc (calificare "ngust"). Deprinderile i abilitile se puteau nva i dobndi la locul de munc, aa nct nu mai era necesar o lung perioad de ucenicie pentru nvarea meseriei "n ansamblul su". Pe de alt parte, acest aspect conduce n mod evident la reducerea nivelului general de calificare a personalului

1 -1


muncitor i la asimilarea acestora cu "simple resurse", insuficient folosite din punct de vedere al inteligenei.

Perfecionarea proceselor de fabricaie se realiza de regul n cadrul fiecrei fabrici, prin iscusinta oamenilor. iar "secretul de fabricaie" era transmis din

generaie n generaie .

Fabricaia de mas s-a dezvoltat continuu, iar o anumit teorie economic cunoscut sub denumirea de "viziunea de monopol asupra fabricaiei", teorie aprut la sfritul secolului XIX, a condus la apariia unor mari companii in jurul anilor 1900. Multe dintre aceste companii continu s existe i n prezent, ca de exemplu: General Motors, General Electric, Ford, Kodak etc.

Pe scurt, aceast teorie economic a emis urmtoarea strategie. Dac se identific necesitatea unui produs care s fie solicitat de pia n serie foarte mare, apoi se

realizeaz un proiect de calitate i se construiete un sistem dedicat de fabricaie, atunci, acceptnd un beneficiu foarte mic pe fiecare produs (dar suficient de mare pe ansamblul fabricaiei), se poate elimina concurenta (adic fabricaia manufacturier)

i dobndi "monopolul" asupra fabricaiei respectivului produs. Nu ntmpltor majoritatea exemplelor citate anterior sunt din SUA, pentru c aici a fost mai bine neleas i aplicat aceast teorie economic, care s-a dovedit ulterior a fi de succes n competiia economic cu firme de pe alte continente.

Fabricaia de mas continu s existe i n prezent i va exista nc pentru mult vreme. Caracteristica sa fundamental este "orientarea ctre fabricaia unui singur produs sau a ctorva produse din aceiai familie". Acum, fabricaia de mas este folosit pentru a realiza aa-numitele "produse de larg consum", solicitate n serie mare sau foarte mare pe pia Cteva exemple ar putea fi: fabricaia unor produse alimentare de baz (fin, zahr, ulei, buturi etc.), fabricaia unor componente mecanice fundamentale (uruburi, piulie, aibe etc.), fabricaia unor componente electrice fundamentale (cabluri, prize, ntreruptoare, baterii, acumulatori etc.),

fabricaia unor produse chimice larg utilizate (benzin, motorin, ngrminte, uleiuri minerale, etc.).

Resursele folosite pentru acest tip de fabricaie se bazeaz pe "echipamente strict specializate" sau "dedicate", adic echipamente special construite pentru a asigura un proces sau o etap a fabricaiei, deci fundamental "rigide" i aproape total lipsite de "flexibilitate".

O Fabricaia orientat pe Joturi individualizate a fost dezvoltat cu precdere dup anii 1970, ca rspuns la o cerin accentuat de diversificare - individualizare a produselor. ntr-adevr, tendina fireasc a fiecrui consumator a devenit n timp aceea de a achiziiona produse ct mai bine adaptate gustului su i care s-l individualizeze fa de semeni (de exemplu mbrcminte, nclminte, maini,

mobil, cas etc.). n mod evident, fabricaia de mas nu putea rspunde acestor cerine, ntruct resursele de fabricaie folos ite erau foarte puin flexibile, iar schimbarea repetat a acestor resurse era complet neeconom ic.

A aprut deci necesitatea orientrii fabricaiei pe "loturi individualizate", realizate cu ajutorul "sistemelor flexibile de fabricaie" n serii medii sau mici. Principalele trsturi introduse de acest nou sistem de fabricaie au fost:

1 - 2

1'

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE- Note de curs- M. Nitulescu

Resursele de fabricatie au devenit echipamente complexe, dotate cu o flexibilitate bazat pe "reprogramare", procesarea material fiind acum realizat n mod curent de ctre roboi industriali, maini-unelte cu comand numeric, automate progra-mabile, microcontrollere, etc.).

Resursele de fabricaie sunt organizate ierarhic n "celule" flexibile de fabricaie, "ateliere" flexibile de fabricaie i "sisteme" flexibile de fabricaie. La nivelul

fiecrei entiti exist un grup de resurse care pot efectua un anumit tip de etape sau procese de fabricaie (dup caz). Etapa sau procesul derulat la un moment dat este n acord cu ordinul curent de fabricaie. Programul funcional se obine prin apelarea unei "biblioteci de programe", din care va fi selectat funcionarea

necesar realizrii ordinului curent de fabricaie. ntreaga coordonarea funcional a unui sistem flexibil de fabricaie este asigurat

printr-o procesare informaional unitar, care reunete sub conceptul general CIM (Computer Integrated Manufacturing, respectiv utilizarea calculatorului n scopul

fabricaiei) mai multe aspecte particulare i reciproc interconectate prin exploatarea unor baze de date comune:

~ CAD (Computer Aided Design). Utilizarea calculatorului pentru toate fazele aferente proiectrii produselor: desene, cotri , verificri intercorelate penttu asamblare, simularea unor proprieti mecanice cum ar fi cele legate de tensiunile interne, elaborarea automat a programelor de execuie pentru un anumit tip concret de main-unealt etc.

> CAM (Computer Aided Manufacturing). Utilizarea calculatorului pentru conducerea direct a tuturor resurselor de fabricaie, n sensul c funcionarea

automat a acestora se bazeaz pe soluii integrate hardware-software inspirate de tiina calculatoarelor. ~ CAP (Computer Aided Planning). Utilizarea calculatorului pentru planificarea

fabricaiei, alocarea resurselor materiale i a celor de fabricaie, analiza i gestiunea automat a stocuri lor etc.

)> CAS (Computer Aided Service). Utilizarea calculatorului pentru asigurarea service-ului resurselor de fabricaie (autodiagnoz funcional, alocarea

dinamic a resurselor partajate sau aflate n rezerv tehnologic, functie de tip "cutie neagr" pentru memorarea automat a evenimentelor care apar pe durata ciclurilor de fabricaie, etc.

)> CAQ (Computer Aided Quality), utilizarea calculatorului pentru controlul total al calitii fabricaiei i asigurarea ncadrrii fiecrui produs n standardele de calitate. n acest sens a devenit posibil nlocuirea testrii

calitii prin "eantion reprezentativ" (metod probabilistic, deci cu un anumit "grad de ncredere") cu "controlul total al fiecrui produs" care va fi certificat individual din punct de vedere al calitii.

Fabricaia este orientat pe "loturi de fabricaie" care sunt realizate n serii mici sau medii, individualizate reciproc prin anumite trsturi distincte (de exemplu loturi de autoturisme cu culori diferite, cu anumite particulariti de design sau de dotri etc.) i realizate exclusiv pe baz de comenzi furnizate la cererea pieei.

Aa cum se preciza anterior, n prezent coexist toate aceste forme ale fabricaiei. Chiar dac ele sunt ntr-o continu evoluie, particularitile lor individuale indic cu claritate faptul c ele sunt specifice unui anumit tip de cerere existent n pia.

1 - 3

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE - Note de curs - M. Nltulescu

1.2 Fabricatia n prezent

n zilele noastre, producia material este o afacere extrem de complicat, care necesit un volum impresionant de cunotine chiar i pentru cele mai simple componente. O singur persoan nu poate avea (n mod obinuit) abilitatea de a

stpni integral toate detaliile realizrii unui produs complex, cum ar fi spre exemplu procesul de fabricaie al unui avion modern. Soluia folosit n mod tradiional const n "divizarea" ntregului proces de fabricaie ntr-o succesiune de etape i procese mai simple, deci mai uor neles i de stpnit, astfel nct o singur persoan poate fi

responsabil pentru o anumit etap.

Pentru cele mai multe produse, procesul general de fabricaie urmrete ns i n prezent practica i strategia tradiional. Astfel, inginerii proiecteaz un produs, adesea cu o cunoatere aproximativ a modului n care produsele similare sunt fabricate i asamblate pe plan mondial. La rndul lor, persoanele implicate in procesul fizic de fabricaie ignor adesea noile tendine i avantaje ale proceselor de proiectare.

INGINERIA PROIECT Rli

rNGINERTA FABRICAIEI

PRODUCEREACONWONENTELOR

ASAMBLAREA PRODUSULUI FINAL Figura 1.1 Relatii uzuale de comunicaie i responsabiliti din companiile care realizeaz n prezent

producie material.

Figura 1.1 exemplific relaiile uzuale de comunicaie i responsabilitile din companiile care realizeaz n prezent producie material. Din punct de vedere sistemic, remarcm o "organizare serial", cu "etape succesive". Ieirea dintr-un departament funcional este transmis ctre urmtorul departament, cu o slab sau uneori chiar inexistent reacie din partea acestuia.

a. O prim etap este reprezentat de activitile de marketing. Aceast etap este de fapt o "interfa" intre cerinele existente pe pia i lansarea etapelor urmtoare, necesare obinerii unui produs nou. Marketingul reprezint un ansamblu de tehnici i metode, cu caracter economic, sociologic i ingineresc, care vizeaz prospectarea cerinelor de pe pia pentru absorbia unui nou produs. Principale aspecte urmrite prin activitile de marketing sunt: Identificarea trsturilor generale i specifice pe care trebuie s le ndeplineasc

noul produs n vederea satisfacerii cerinelor pieei (performane tehnice, noi faciliti n exploatare, variante de prezentare, modaliti de distribuie, gam a

preurilor acceptate de pia, etc.).

1- 4

..


Estimarea cererii pieei , respectiv a cantitii de produse care ar trebui realizate ntr-o unitate de timp de referin (volumul estimat al cerinelor lunare i anuale, categorii de beneficiari, particulariti care difereniaz solicitrile categoriilor de beneficiari i care ar putea constitui variante ale unui produs de baz realizat sub forma unor loturi de fabricaie, etc.).

Identificarea unor furnizori pentru module i componente care s-ar putea integra direct n produsul final , avnd n vedere c realizarea oricrui nou produs presupune n prezent o activitate de tip "integrator de sistem", adic utilizarea tuturor facilitilor deja oferite n pia (spre exemplu, nici o companie constructoare de avioane nu poate i nici nu-i propune realizarea complect i

independent a unui avion, de la extragerea din natur a tuturor materiilor prime necesare, pn la construcia final a avionului).

Elaborarea unui caiet de sarcini, care cuprinde specificaiile de proiectare ale noului produs pe baza tuturor informaiilor dobndite.

Pentru prospectarea pieei, marketingul a folosit i folosete nc soluii mai mult sau mai puin convenionale: chestionare scrise, sondaje de opinie, analiza unor studii de specialitate d~ja existente, analiza comparativ a ofertelor firmelor concurente sau a celor productoare de componente i subansambluri, etc.

De multe ori ns, aceste aspecte sunt complect neglijate sau tratate cu foarte mult superficialitate n prezent, ceea ce poate avea, din punct de vedere economic.

implicaii dramatice asupra viitoarelor noi produse care se introduc pe pia. Istoria ofer n acest sens numeroase exemple: proiectele unor autoturisme sport destinate tinerilor (care s-au dovedit mult prea scumpe, deci n total contradicie cu veniturile acestora), proiectul avionului Concorde (care nu a inut cont de posibilitile tehnologice, de concuren, de cerere i a rezistat numai temporar pe pia), etc.

b. A doua etap este reprezentat de ingineria proiectrii. Tradiional, proiectarea unui nou produs se realizeaz n conformitate cu "caietul de sarcini" transmis de ctre departamentul de marketing. Desigur, colectivul de proiectani caut s respecte pres-criptiile solicitate pentru noul produs, dar adeseori, din "considerente practice", pro-

iectanii ignor sau modific unele prescripii. Alteori se folosesc soluii de proiectare costisitoare ca volum de munc, timp i cheltuieli aferente, cum ar fi spre exemplu: Proiectarea bazat pe desene tehnice executate manual. Ca urmare a numeroaselor

neconcordane geometrice i dimensionate (depistate de regul n faze finale, cum ar ti spre exemplu la asamblarea produsului final), acestea vor trebui mereu reactualizate.

Utilizarea unor standarde depite pentru componente, ceea ce va conduce ulterior la imposibilitatea gsirii unor furnizori pentru acestea. n consecin, va apare problema realizrii acestor componente prin mijloace proprii, dei exist unele asemntoare n pia. n aceast situaie, preurile de fabricaie vor depi cu certitudine pe cele ale oricrui productor specializat n astfel de componente.

Solicitarea repetat i exagerat privind execuia unor modele fizice ale componentelor proiectate (spre exemplu pentru a putea elabora soluiile finale de asamblare).

Reluarea nejustificat a unor procese de proiectare (din cauza lipsei unei viziunii de ansamblu asupra produsului final) etc.

1 -5

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE - Note de curs- M. Nitulescu

c. A treia etap este reprezentat de ingineria fabricaiei. Dup ce proiectul produsului a fost primit de la departamentul de proiectare, activitile acestui nou departament au succint urmtoarele obiective:

[J Elaborarea specificaiilor de fabricaie i a tehnologiilor necesare: Defmirea materialelor folosite pentru fiecare reper (ca tip, specificatii tehnice,

cantiti, productori etc.). Definirea soluiei constructive pentru fiecare reper (tipul i ordinea operaiilor,

restriciile de preceden, tehnologiile de fabricaie etc.). Defmirea soluiei constructive pentru asamblarea produsului final (tipul i ordinea

operaiilor, restriciile de preceden, condiiile de fabricaie etc.). Stabilirea performanelor componentelor care unneaz a fi achiziionate de la

fumizori i elaborarea caietelor de sarcini ctre acetia etc.

[J Stabilirea resurselor materiale necesare: Tipuri de scule, dispozitive i alte consumabile convenionale necesare fabricaiei,

corelarea consumului estimat al acestora cu volumul produciei i lansarea achiziiei lor de la fumizorii companiei.

Tipuri de scule i dispozitive "dedicate" (particulare sau nestandardizate) care sunt necesare pentru realizarea unor operaii specifice, proiectarea i realizarea lor n

aceiai companie sau apelarea la ali furnizori specializai n aceste produse. Necesarul de maini-unelte, staii automate de procesare, posturi manuale,

dispozitive auxiliare de transport, dispozitive de alimentare 1 evacuare etc. Elaborarea planului general de fabricaiei pentru noul produs, n conformitate cu

volumul estimat al produciei.

[J Implementarea ntregului sistem de fabricaje pentru noul produs (testarea sa, introducerea corecturilor necesare, compararea performanelor productive reale cu cele estimate etc.)

De multe ori numai n aceast etap sunt evideniate "deficienele" proiectului iniial i apare necesitatea de a conlucra ' 'maj strns" cu celelalte departamente ale companiei 1n vederea remedierii deficienelor depistate.

d. A patra etap const n fabricarea componentelor noului produs. Deoarece de multe ori au scpat detalii importante ale proiectrii (sub aspectul concepiei dar i al tehnologiilor), cel mai adesea se realizeaz iniial mai multe serii de componente, denumite "serie zero", "cap de serie" sau "monstre".

e. A cincia etap const n asamblarea noului produs. i n aceast etap se realizeaz iniial o "serie zero". Deoarece asamblarea este etapa integratoare a fabricatiei , aici se vor constata toate "nepotrivirile" din proiectul iniial. Cu ct

deficienele de comunicaie i cooperare existente ntre depaJtarnentele precedente sunt mai accentuate, cu att timpul i resursele cheltuite n aceast faz sunt mai importante. Aceasta va contribui n mod direct la ntrzierea apariiei noului produs pe

pia i la depirea preului estimat, cu toate consecinele economice de rigoare care vor fi , desigur, sancionate de pia. Numai dup depirea tuturor problemelor tehnice, fabricaia de serie poate fi nceput.

1-6

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE- Note de curs- M. Nltulescu

f. Ultima etap este realizat de ctre departamentul de vnzri. Acesta va trebui s promoveze produsul pe pia, s utilizeze propria reea de distribuie a companiei i s urmreasc toate aspectele comerciale semnalate de pia. De multe ori, datorit ntrzierii lansrii pe pia a noului produs (ca urmare a deficienelor structurale i de

comunicaie din cadrul companiei) sau datorit unui pre final care depete estimrile iniiale de marketing (ca urmare a acelorai deficiene) departamentul de vnzri va ntmpine dificulti , iar responsabilitile vor fi "pasate" la nesfrit ntre compartimentele companiei, ceea ce nu contribuie la rezolvarea problemelor.

Figura 1.2 Comunicatiile dintre departamentele unei companii sunt n mod tradiional deficitare.

Aceste neajunsuri se explic prin deficienele structurale i fundamentale de comunicaie ntre diferitele departamente, aspect ilustrat de Figura 1.2 i cunoscut n literatura de specialitate prin denumirea generic de "comunicaii peste zidurile nalte dintre departamente". Indicaia conducerii companiei va fi ca pe viitor s existe o mai

bun i permanent colaborare ntre departamente, s fie depite orgoliile i barierele inexorabile dintre diferitele departamente, adic n esen o schem structural a fabricaiei de tipul indicat n Figura 1.3.

Figura 1.3 Relatii dorite pentru comunicatii i responsabilitati n companiile care realizeaza producie materiala.

Dar o astfel de soluie structural este foarte greu de implementat fr aportul noilor tehnologii de comunicaie i de proiectare. Din aceast cauz, o adevrat soluie care trebuie adoptat de ctre conducerea companiei este "restructurarea intern radical, prin adoptarea unor noi metode de fabricaie bazate pe tehnologia informaiei".

1 - 7

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE Note de curs- M. Nltulescu

1.3 Tendinte noi n fabricaie, aportul tehnologiei informaiei

n prezent, competiia industrial este caracterizat prin "globalizarea" accentuat a pieelor de desfacere, cuplnd n adevrate "reele" diferii productori i categorii de consumatori. Pentru a putea rezista concurenei, companiile trebuie s introduc mereu produse noi pe pia. Aceast cerin se poate mplini numai dac "ciclul de proiectare- realizare a noilor produse" PLM (Product Lifecycle Management) este optimizat sub dou aspecte eseniale:

Timpul necesar realizrii PLM Cheltuielile aferente realizrii PLM

n acelai timp, produsele devin din ce n ce mai complexe, de cele mai multe ori acestea fiind sisteme mecatronice complicate, care includ att componente mecanice ct i componente electrice, electronice i sofovare. Calitatea produselor rmne un factor important i esenial al existenei unei companii pe pia, dar "timpul" devine din ce n ce mai important sub diferite aspecte: durata de proiectare, durata de implementare tehnologic a unui nou produs, durata de livrare a produsului ctre beneficiar de la primirea comenzii de fabricaie etc.

Dezvoltarea produselor mecatronice complexe are un mare impact asupra mediului industrial. Realizarea sistemelor flexibile de fabricaie FMS (Flexible Manufacturing Systems) a fost o strategie a ultimilor ani, folosit de companii pentru a rspunde

cerinelor pieei, cerine legate de creterea calitii produselor, scderea preurilor i micorarea timpului de realizare a noilor produse (design-to-matket lead-times).

Sistemele flexibile de fabricaie au introdus o cretere a complexitii intrinseci, dar i un grad crescut de automatizare n fabricaie. Reducerea simultan a ciclului de proiectare - realizare a noilor produse, dar i a duratei lor de existen pe pia, conduc n mod evident la necesitatea de a minimiza drastic "costurile i timpul" pentru proiectarea -testarea noului produs, precum i cele legate de reconfigurarea i reprogramarea sistemului flexibil de fabricaie.

Aa cum a rezultat i din paragraful anterior, aducerea unui nou produs pe pia include trei aspecte importante i "exclusive" ale ingineriei: Proiectarea produsului (Product design) Proiectarea procesului de fabricaie aferent produsului (Assembly planning) Alocarea resurselor fizice necesare fabricaiei (Manufacturing Resource)

Proces de fabricaie Assembly planning

Figura 1.4 Activit~le inginereti efectuate la lansarea unui nou produs pe pia.

1 -8


f. Ultima etap este realizat de ctre departamentul de vnzri. Acesta va trebui s promoveze produsul pe pia, s utilizeze propria reea de distribuie a companiei i s urmreasc toate aspectele comerciale semnalate de pia. De multe ori, datorit ntrzierii lansrii pe pia a noului produs (ca urmare a deficienelor structurale i de

comunicaie din cadrul companiei) sau datorit unui pre fmal care depete estimrile in iiale de marketing (ca urmare a acelorai deficiene) departamentul de vnzri va ntmpine dificulti, iar responsabiliti le vor fi "pasate" la nesfrit ntre compartimentele companiei, ceea ce nu contribuie la rezolvarea problemelor.

Figura 1.2 Comunicatiile dintre departamentele unei companii sunt n mod tradiional deficitare.

Aceste neajunsuri se explic prin deficienele structurale i fundamentale de comunicaie ntre diferitele departamente, aspect ilustrat de Figura 1.2 i cunoscut n literatura de specialitate prin denumirea generic de "comunicaii peste zidurile nalte dintre departamente". Indicaia conducerii companiei va fi ca pe viitor s existe o mai

bun i permanent colaborare ntre departamente, s fie depite orgoliile i barierele inexorabile dintre diferitele departamente, adic n esen o schem structural a fabricaiei de tipul indicat n Figura 1.3.

Figura 1.3 Relaii dorite pentru comunicaii i responsabiliti n companiile care realizeaza productie material!!.

Dar o astfel de soluie structural este foarte greu de implementat fr aportul noilor tehnologii de comunicaie i de proiectare. Din aceast cauz, o adevrat soluie care trebuie adoptat de ctre conducerea companiei este "restructurarea intern radical, prin adoptarea unor noi metode de fabricaie bazate pe tehnologia informaiei".

1 - 7

MihaiTypewritten Text

MihaiTypewritten Text*Aceasta pagina nu este o eroare de scanare . Asa au fost primite notitele de curs





Din prima categorie fac parte produse software dedicate numai unei anumite categorii de probleme inginereti, cum ar fi spre exemplu cele destinate "modelrii i simulrii" din gama CAE (Computer Aided Engineering) sau CAD (Computer Aided Design).

Necesitatea reprezentrii sistemelor fizice reale prin "modele" rmne o cerin fundamental a ingineriei, n scopul aplicrii ulterioare a metodelor specifice de analiz i sintez. n funcie de scopul urmrit i de modalitatea de abordare sistemic, modelarea poate s mbrace diferite forme concrete, cteva exemple putnd fi: Modelarea geometric. Modelarea cinematic direct sau invers. Modelarea dinamic. Modelarea comportamental pentru sistemele cu evenimente discrete SED

(Grafcet, Reele Petri). Modelarea matematic pentru sistemele continue sau pentru sistemele cu timp

discret (ecuaii algebrice, ecuaii difereniale).

"Simularea" este o tiin (dar i o art) care a crescut extrem de mult n importan n ultimul timp. Aceast dezvoltare a fost posibil prin suportul adus de tehnologia

informaiei. n prezent, aplicaii de simulare extrem de sofisticate au devenit posibile utiliznd cele mai noi evoluii 3D n grafica pe calculator.

Aadar, "modelarea n vederea simulrii funcionale" este un aspect deosebit de important, deoarece cu ct modelul este mai corect, mai real i mai detaliat, cu att perfonnanele simulrii cresc considerabil.

Produsele software din aceast prim categorie sunt cunoscute i sub alte denumiri: Proiectarea asistat a produselor CE-Design, E-Product design); Proiectarea asistat a proceselor de fabricaie (E-Assembly planning) Alocarea asistat a resurselor de fabricaie (E-Resource planning), etc.

Din a doua categorie sunt de amintit produsele software evoluate din categoria PLM (Product Lifecycle Management), aa cum este sistemul CATIA realizat de firma Dassault Systemes. Scopul este oferirea unui instrument puternic, la dispoziia a numeroase i diversificate categorii de productori, pentru a realiza cu uurin simularea tuturor proceselor de proiectare industrial, din faza de preliminar (de

schi sau preproiect) pn la desenul de detaliu, analiz, simulare, asamblare i mentenan. Sistemul modular CATIA VS (Computer Aided Three-dirnensional Interactive Applications) poate deservi o palet larg de utilizatori i de aplicaii (proiectare mecanic, design industrial, sisteme i echipan1ente inginereti , modelare

numeric, control numeric, simulare i analiz) utiliznd o arhitectur sojn.vare deschis V5. Mai mult, aceast platform este uor integrabil cu alte platforme software, realizri ale aceluiai productor Dassault Systemes. care fac parte din categoria E-Management (ENOVlA, SMARTEAM) i care asigur soluii complete de management asupra datelor unei companii: ERP (Enterprise Resource Planning): managementul resurselor unei ntreprinderi. SCM (Supply Chain Management): managementul relaiilor de aprovizionare. CRM (Customer Relationship Management): managementul relaiilor cu clienii.

1 -10

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE Note de curs - M. Nltulescu

Aceste elemente constituie nucleul fundamental pentru ceea ce denumim n prezent "fabricaie virtual" (Virtual manufacturing, E-Manufacturing sau Digital factories), elemente care definesc "fabrica viitorului" (Factory ofthe future).

Dar noile tehnologii informatice i creterea facilitilor n comunicaii pot fi exploatate i sub alte dimensiuni. Spre exemplu, pn nu cu muli ani n urm costul i durata comunicaiilor tceau necesar un grad avansat de integrare a majoritii aspectelor economice i inginereti n cadrul aceleiai firme. Acum se poate observa o "adncire a specializrii" firmelor, care-i rein o etap sau o activitate fundamental (spre exemplu una din cele 6 incluse n Figura 1 .1) i le "externalizeaz" pe celelalte. Astfel, realizarea unui nou produs poate s reuneasc n prezent firme rspndite pe mai multe continente, care vor comunica cu uurin ntre ele prin soluii electronice bazate pe tehnologia reelelor de comunicaii (E-Manufacturing portal) i i vor folosi reciproc specializarea i competenele pentru a realiza o structur relaional de tipul celei prezentate n Figura 1.2, constituind ceea ce denumim "intreprindere virtual" (Virtual entrerprise).

n Figura 1 .5 este prezentat o astfel de soluie, care surprinde n esen tocmai specializarea firmelor pe un aspect concret i integrarea lor funcional n scop productiv printr-o reea Internet de tip E-Portal. Rezult n mod evident o scurtare spectaculoas a timpuJui necesar realizrii oricrui nou produs i o ameliorare substanial a costurilor acestora pe pia.

Figura 1.5 Comunicaii n retea i reparti\ia activittilor n cadrul "fabricii virtuale", realizate sub forma unui portal E-manufacturing.

Global, acest nou mod de organizare i desfurare a afacerilor cu ajutorul nemijlocit al tehnologiilor informatice n cadrul "fabricii viitorului" este denumit generic E-Business, adic afaceri bazate pe tehnologii electronice.

1 - 11


Din punct de vedere formal, afacerile bazate pe tehnologii electronice acoper aceleai 3 aspecte fundamentale, adic:

E-Business n ingineria proceselor. E-Business n execuia proceselor. E-Business n controlul proceselor.

Se poate deci concluziona c informatica aplicat introduce n zilele noastre o adevrat "nou revoluie industrial". Conceptul de E-Business rmne cadrul cel mai general de desfurare a acestei noi revoluii industriale. Fabricaia virtual este o

component a acestui concept. In realitate, E-Business implic modificri majore i n alte domenii conexe. Cteva dintre acestea sunt:

CJ Educaie: Dobndirea unor noi competene profesionale care includ abiliti specifice tiinei

calculatoarelor i tehnologiei informaiei. Schimbarea strategiilor pentru formarea personalului de specialitate.

CJ Piaa forei de munc: Structura necesarului de specialiti pentru activitile firmelor i companiilor. Utilizarea specialitilor IT pentru sectoare de activitate care utilizau n nod

tradiional specialiti cu o alt formaie i pregtire.

CJ Economic i social: Accentuarea "globalizrii" mondiale. Creterea concurenei pe pia i reducerea costurilor noilor produse. Accentuarea diferenelor dintre civilizaii i naiuni.

1.4 Fabricaia virtual, definiii, elemente i trsturi

Aa cum a rezultat din cele prezentate anterior, operarea majoritii sistemelor de fabricaie existente n prezent solicit un mare volum de activiti.

Planificarea fabricaie (Process planning) este un aspect important sub raport decizional: planificarea proceselor, configurarea sistemului i proiectarea sa, alegerea tehnologiilor, programarea funcional a tuturor resurselor de fabricaie etc. Realizarea tuturor acestor activiti pe ci convenionale conduce la costuri mari i la irosirea unui mare volum de timp.

Aspectele financiare ale produciei, aspecte absolut fundamentale, cer soluii optimale, care s integreze la rndul lor cerinele eseniale legate de flexibilitate proceselor de fabricaie i de calitatea produselor.

Prototipuri fizice pot fi realizate pentru evaluarea diferitelor soluii n cadrul experimentelor practice care nsoesc proiectarea. Aceast metod ofer o cale pentru ncercarea diferitelor soluii, dar este costisitoare, consumatoare de timp i poate

restriciona sever abilitatea de a rspunde rapid la o cerere a pieei.

1 -12

,.

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE - Note de curs - M. Nitulescu

O cale pentru ncadrarea n restriciile financiare ale unei afaceri este deci utilizarea platformelor software avansate pentru rezolvarea tuturor aspectelor legate de ingineria fabricaiei. Aceste platforme ofer un avantaj extrem de important, respectiv posibilitatea de a evalua "n avans" cea mai bun soluie dintre mai multe soluii posibile, evitnd proptotipurile i n general toate soluiile "fizice".

O mulime de soluii software au fost propuse i dezvoltate de-a lungul anilor, ocazie cu care au fost introdui pentru prima dat termeni ca "fabricaie virtual" (Virtual manufacturing) sau "machetare-modelare digital" (Digital mock-up).

Aa cum se cunoate, una dintre modificrile cele mai dramatice din ultimul timp au intervenit n tiina calculatoarelor. Aceste evoluii au influene covritoare asupra sistemelor de fabricaie (reducerea costurilor, posibiliti de control n timp real, dezvoltarea intensiv a utilizrii calculatoarelor n tot ce este legat de activitile

inginereti etc.) i muli analiti sunt de prere c ele sunt precursorul, i n acelai timp agentul, care va induce aceleai modificri n toate conceptele teoretice i practice ale fabricaiei.

Ne aflm practic ntr-o perioad n care elementele fundamentale ale ceea ce noi denumim generic MCAE (Manufacturing Computer Aided Engineering), adic ti ina calculatoarelor, a sistemelor de operare i fabricaia propriu-zis, sunt caracterizate mpreun de schimbri extrem de dinamice, radicale i mai ales interconectate printr-un scop comun, adic scopul productiv. Poate una dintre cele mai interesante i importante schimbri se reflect sub raportul a ceea ce denumim "fabricaie virtual" (Figura 1.6). Fabricaia virtual are desigur numeroase faete concrete i particulare, dar global este considerat de muli specialiti ca fiind "urmtoarea revoluie n

fabricaia mondial". n esen fabricaia virtual vizeaz uti lizarea extensiv a calculatorului pentru modelare i simulare, dar nu numai a produsului, ci i a ntregului proces de fabricaie aferent acestuia.

Schimburi Control

Figura 1.6 Conceptul de fabricatie virtual.

Resurse

Produse

1 - 13

,,

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE Note de curs- M. Nitui eseu

Beneficiile fabricaiei virtuale sunt multiple i variate, cteva dintre acestea putnd fi enumerate succint: Reducerea spectaculoas a timpului necesar lansrii pe pia a noilor produse. Reducerea costurilor aferente lansrii pe piat a noilor produse. Reducerea costurilor produselor pe pia prin "ieftinirea substanial" a tuturor

fazelor fabricaiei, cu importante implicaii sociale. Eliminarea seriilor succesive de prototipuri i machete fizice, specifice proceselor

convenionale de proiectare. Impact ecologic major asupra mediului prin reducerea consumurilor nejustificate

de materii prime i energie. Creterea gradului de "stpnire" al tuturor proceselor de fabricaie i a nivelului

de "ncredere" n acestea. Creterea substanial a calitii produselor i a nivelului serviciilor post-vnzare

oferite cumprtorilor.

O definiie standardizat a fabricaiei virtuale nu a fost nc stabilit, dar este unanim acceptat faptul c nucleul este reprezentat de o gam de metode i soluii prin care se poate utiliza calculatorul, ntr-o manier sistematic i eficient, pentru proiectarea, dezvoltarea i configurarea unui sistem de fabricaie. n literatura de specialitate sunt

schiate totui i anumite definiii , cum ar fi de exemplu: ~ Fabricaia virtual este un sistem integrat bazat pe tehnologia

informatiei , care reprezint scheme i necesiti logice i fizice ale unui sistem real de fabricaie, incluznd modele ale resurselor de fabricaie, mediului de fabricaie, prototipurilor i produselor. ~ Machetarea 1 modelarea digital (Digital mock-up) sau fabrica

digital (Digital facfories) este o simulare realist pe calculator a produ-sului i a mediului su de fabricaie, care servete pentru dezvoltarea produsului i a procesului su de fabricaie, a comunicaiilor i deciziilor necesare intrinsec, de la primele faze ale proiectrii pn la serviciile post-vnzare i analiza global a ciclului productiv. Aceast din urm definiie subliniaz tocmai faptul c modelarea digital trebuie s fie capabil s nlocuiasc "modelarea fizic repetat" (cu ajutorul prototipurilor) pe toat durata proiectrii. Desigur, rmne ca validarea fmal a modelrii i proiectrii digitale s fie realizat la ncheierea ntregului proces, dar printr-un unic prototip fizic real. Scopul fundamental vizeaz asigurarea unui suport digital pentru toate

activitile inginereti din cele 3 domenii precizate prin Figura 1.4: proiectarea produsului, proiectarea procesului su de fabricaie (tehnologii) i proiectarea sistemului sliu de fabricaie (resurse necesare). Prin urmare, orice "afacere productiv" va fi divizat acum n urmtoarele dou faze succesive: Faza virtual. Produsul, procesul de fabricaie i resursele necesare sunt

proiectate, planificate. analizate i verificate cu ajutorul calculatoruluj pnn utilizarea unui software adecvat.

Faza real. Aceasta survine numai dup finalizarea fazei virtuale, i opereaz dup principiile cunoscute, mai mult sau mai puin convenionale.

1 - 14


Dac toate deciziile i verificrile au fost realizate corespunztor n "faza virtual" , atunci "faza real" va consta (n mod ideal) numai n instalarea "dup proiect" a tuturor resurselor stabilite i nceperea fabricaiei. Aadar, modelarea digital ofer "n avans" mediul necesar pentru studiul i analiza fabricaiei , sub toate aspectele sale.

O alt faet a utilizrii calculatorului const n programarea tuturor echipamentelor folosite ca resurse, configurarea acestor resurse, proiectarea sistemului i a tehnologiei de fabricaie. Se obine astfel o reducere substanial timpului consumat "tradiional" n aceste scopuri. De asemenea, programarea off-line a echipamentelor de fabricaie

ofer i posibilitatea evalurii soluiei optime "n avans".

n plus, trebuie precizat i faptul c exist i numeroase alte aspecte, colaterale dar extrem de importante, care deriv dintr-o astfel de abordare bazat pe modelare 1 simulare. Cteva dintre acestea sunt:

Verificarea eventualelor coliziuni (pe traiectoriile programate) ale mainilor-unelte sau roboilor cu obstacolele fixe sau mobile prezente n spaiile lor de operare, dispunerea optim a tuturor resurselor in cadrul spaiului uzina! disponibil, analiza duratei ciclului de fabricaie i a capacitii de producie etc., adic un grup de elemente sau parametrii foarte importani pentru proiectarea sistemului de

fabricaie i pentru decizia managerial legat de investiie. Posibilitatea de a vizualiza o idee sau un concept ntr-un model geometric

tridimensional (3D), ceea ce este cu mult mai intuitiv i mai uor de neles de ctre oricine, specialist sau novice.

Se creeaz premizele pentru creterea calitativ a ntregului proces de proiectare n paralel cu reducerea costurilor. Spre exemplu, greelile de proiectare depistate n fazele finale ale proiectrii pot fi mult mai rapid i mai ieftin eliminate.

Noile produse pot fi rapid introduse ntr-un sistem de fabricaie existent, deoarece interaciunea fizic cu acesta n faza de proiectare este nul, toate analizele i simulrile fiind realizate cu ajutorul modelelor i nu a resurselor reale.

Pe de alt parte. utilizarea tehnologiilor virtuale bazate pe simulare solicit modele care s fie ct mai "precise", adic ct mai aproape de realitate.

Trebuie recunoscut ns faptul c exist ntotdeauna o serie de "diferene" ntre "lumea real" i "lumea virtual", aceasta din urm reprezentnd adesea numai "un model ideal". De o manier principial, n Figura 1.7 pot fi observate cu uurin

diferenele dintre cele dou "lumi" pentru cazul obiectelor prezente n structura unei celule flexibile de fabricaie. Pot existe diferene (inevitabile totui) n ceea ce privete reprezentarea geometric a corpurilor, dar este de dorit ca "modelarea

comportamental" s fie fcut ct mai exact.

Dac ns diferenele n privina aspectului luat n consideratie sunt "de substan", este ns foarte posibil ca rezultatele simulrii virtuale s fie net diferite fa de rezultatele furnizate de o structur real. Aceste diferene majore apar chiar dac cele dou sisteme. virtual i real, opereaz n aceleai condiii de intrare, de funcionare, de exploatare etc. Spre exemplu, dac n modelul unei staii robotizate robotul virtual are o alt configuraie geometric fa de robotul existent n aplicaia real, acelai program funcional va conduce cu certitudine la rezultate diferite.

1 - 15

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE - Note de curs- M. Njulescu

Figura 1.7 Diferente ntre "lumea real" i "lumea virtual" pentru o celul flexibil de fabricatie.

Cele mai importante diferene ntre modelul virtual i modelul real apar datorit "variaiilor continue ale procesului", aspect care nu este luat adesea n consideraie de ctre modelarea digital. Spre exemplu un anumit proces de fabricaie cruia i se atribuie prin simularea numeric o evoluie stochastic (probabilistic), considerat ca nefiind influenat de evenimentele discrete care pot apare n interiorul sau n exterio-rul su, poate produce diferene majore datorit variaiei continue a unor variabile:

toleranele cotelor de fabricaie ale pieselor, poziionarea sau orientarea pieselor n aplicaii robotizate, reaciile senzoriale, repetabilitatea funcional a roboilor, etc.

Platformele software de tip CAR (Computer Aided Robotics) ofer multiple faciliti pentru modelarea digital n cadrul fabricaiei virtuale. Acestea sunt programe grafice care utilizeaz soluii GUI (Grafica! User Interface) i care pot fi utilizate pentru multe aspecte inginereti legate de fabricaie. Spre exemplu, ele pot asigura: Proiectarea i simularea unui sistem de fabricaie. Programarea offline a diferitelor tipuri de controllere asociate structurilor de

fabricaie (automate programabile, controllere logice programabile etc.). Realizarea offline a programelor funcionale pentru diferite tipuri de roboi

utilizai n sistemul de fabricaie. Transmiterea direct prin reeaua de comunicaii uzinal (Shop Ooor control) a

programelor elaborate ctre controllere-le "destinaie" etc.

Un model n CAR acoper produsul i sistemul su de fabricaie. Procese tehnologice uzuale ca sudura, vopsirea, decuparea laser, asamblarea etc. sunt exemple de procese care pot fi simulate prin tehnologiile software CAR. Eliminarea diferenelor dintre procesele virtuale i cele reale este de regul depit prin "calibrri iniiale" i

"calibrri periodice" ale robotului n spaiul su operaional.

Proiectarea unui nou produs este uneori definit ca un proces prin care dorinele clienilor sunt translatate n prescripii de proiectare, iar n fmal, n forme fizice i n faciliti de utilizare. Pentru a fi eficient, procesul de proiectare trebuie s fie caracterizat prin "analize ciclice", n care obiectivele i prescripiile, problemele i

soluiile sunt studiate mpreun sub aspectul condiionrilor reciproce, aspect subliniat i n Figura 1.6. Mai multe modele ale procesului de proiectare au fost propuse n literatura de specialitate. Cele mai multe modele mpart procesul n faze diferite, care asigur transformarea de la "nivelul abstract", specific fazei iniiale a proiectului, la "nivelul concret", specific fazelor finale de proiectare. Aceast nlnuire logic a fazelor este descris de Figura 1.8.

1- 16


Abstract ( STABILIREA OBIECTIVELOR o

STABILIREA SPECIFICAIILOR

Figura 1.8 Principalele faze ale dezvoltrii unui sistem.

~ "~ IMPI.:EMENTARE

.........

~- ~ - ~

Timp

Eficienfa, calitatea i productivitatea sunt cuvintele cheie urmrite de fiecare companie in derularea tuturor acestor faze. Astzi, pentru a fi ns eficient, multe faze trebuie realizate prin cooperare industrial intre parteneri industriali specializai , iar

relaiile dintre ei trebuie s fie "concurente".

tiina "ingineriei concurente" (Concurrent engineering) ofer solui i pentru atingerea acestor obiective. Ideea fundamental const n formarea unor echipe interdisciplinare din specialiti aparinnd in mod curent mai multor departamente i adoptarea tuturor decizi ilor numai pe baza acordului dintre toi participanii, nc din primele faze ale dezvoltrii noului proiect.

n prezent, aceast soluie este implementat de multe companii care au renunat la diviziunea rigid i secvenial a fazelor (i implicit a echipelor de proiectare). tiina ingineriei concurente mai este cunoscut n literatura de specialitate i sub alte denumiri ca "inginerie simultan" (Simultaneous engineering), "ingineria de echip" (Team engineering) sau "inginerie integrat" (Integrated life-cycle engineering). O

definiie a ingineriei concurente este dat n literatura de specialitate sub forma: )l.. Ingineria concurent este o abordare sistematic i integrat n privina

proiectrii produselor i a proceselor lor de execuie, incluznd att fabricaia ct i suportu l post-fabricaie asigurat de ctre productor. Scopul urmrit const n determinarea proiectani lor de a aborda unitar toate elementele ciclului de via a noului produs, de la proiectare pn la desfacere, incluznd calitatea, costurile, planificarea fabricaiei i cerinele beneficiarilor.

Pentru a beneficia de avantajele ingineriei concurente, diferite metode i soluii pot fi utilizate, cteva dintre cele mai importante fiind incluse n Figura 1.9. n mod evident, de la caz la caz se poate opta i pentru combinarea unor astfel de metode.

n cadrul fabricaiei virtuale, implementarea ingineriei concurente constituie o metod strategic ce se aplic curent n procesele de modelare i de simulare avansat a tutu-ror activitilor de fabricaie, aa cwn subliniaz i Figura 1.1 O. Elementele practice

eseniale sunt "dialogul permanent" i "schimbul continuu de informaii" , ceea ce necesit metode de comunicaie accesibile, simple, prietenoase, rapide i eficiente.

1 -17

,.


DFA ., OMAgn IOf As'i~Jniiy

\IP\EA., Variant L4ooe MI! ElfocmAr~

r~alizatlon of

Slmultaneous Englneerlng

Figura 1.9 Metode i soluii n ingineria concurent.

Obinerea acestor deziderate implic att modificri organizaionale la nivelul compa-niilor (constituirea echipelor mixte i interdisciplinare prin formarea specialitilor, eliminarea "tradiionalei lipse de dialog" dintre departamentele specializate, etc.) ct

i un suport logistic corespunztor (reele de comunicaii de tip Internet, Intranet, Shop floor control, etc.).

Virtual World

l'v1anufacturing Enviromm:nt Modc:l

l'rodult Produci Produci Model :-v1odd Model

6 6

' ~ngineHing Activity

.".

1 Ta~k Organisallon 1 Produci Manul~:turing Producuon tNs1gn l'rcpar,llmn :Vlanagemenl ~

... ....

... ... ..

l'rotot yp~ and Produci Manutacturing Rcsourcc

1 Manufacturing Environment Model 1 Real World

" Comparis1on :md Modd

Maink'nancc

~

Fi gura 1.10 Implementarea ingineriei concurente n fabricatia virtual.

1 - 18

,.


Aparent, implementarea practic a acestor deziderate este extrem de costisitoare. Desigur c platformele hardware, platformele software, precum i instruirea membrilor echipelor de proiectare pentru a putea lucra n aceast manier necesit

investiii iniiale substaniale din partea companiilor. Aceste costuri sunt ns ulterior compensate prin mai multe economii oferite de acest sistem, cum ar fi spre exemplu: Reducerea substanial a costurilor (materiale, umane) pentru realizarea

prototipurilor fizice. Scurtarea intervalului de timp necesar realizrii noului produs i implicit obinerea

primelor ncasri din vnzri cu mult mai rapid. Economii de timp, resurse i fonduri legate de greelile de proiectare ale

produsului sau sistemului su de fabricaie care sunt depistate n fazele finale ale lansrii n fabricaie. Studiile de specialitate arat c (pentru proiectele complexe) cea. 70-80% din costurile noului produs sunt ncrcate de aceste cheltuieli.

Posibilitatea de a analiza i evalua mult mai simplu (prin simulare) diferite soluii i concepte de proiectare, i implicit anse mai realiste de a alege soluia optim.

Posibilitatea de a utiliza principiile ingineriei concurente folosind parteneri speci-alizai pe diferite categorii de probleme (deci mai eficieni i cu costuri mai mici).

n mediul industrial, proiectarea digital poate fi utilizat n fonne diferite. Se pot identifica 3 nivele principiale de utilizare:

);> Nivelul static );> Nivelul de programare );> Nivelul comportamental

LJ Nivelul static. n aceast faz (Figura l.ll) sunt modelate i analizate numai "staionar" diferitele probleme implicate. Sunt complect neglijate aspectele dinamice, micrile, traiectoriile, deplasrile pe durata fabricaiei, etc.

Cteva exemple specifice "Nivelului static" ar putea fi:

Figura 1.11 "Nivelul static" aplical pentru analiza functional a unei celule flexibile de fabricatie destinat efecturi i unor procese robotizate de sudur pe o caroserie auto.

Verificarea compatibilitilor reciproce de asamblare pentru toate componentele n produsul final.

Verificarea sculelor folosite pentru toate prelucrrile, precum i a tuturor dispozitivelor de ftXare proiectate. Spre exemplu: compatibilitatea performanelor mecanice ale sculelor cu cerinele de prelucrare, verificarea orientri lor acestora pe

1 - 19


parcursul prelucrrilor, verificarea calitii dispozitivelor de fixare, stabilirea dispunerii lor spaiale pentru a nu ngreuna procesele de prelucrare etc.

Verificarea unor aspecte legate de ergonomia muncii. Spre exemplu: exist suficient spaiu rezervat interveniei unui operator uman n interiorul sistemului de

fabricaie pentru a asigura service-uJ n caz de avarie? Verificarea unor aspecte legate de "spaiile de operare" ale mainilor-unelte sau

roboilor folosii n procesul de fabricaie. Spre exemplu: poate un robot s-i poziioneze i orienteze efectoruJ pentru a realiza fiecare operaie prevzut?

LJ Nivelul de programare. n aceast faz (Figura 1.12) sunt "adugate" toate micrile i deplasrile implicate, traiectoriile necesare sculelor i pieselor, conveiere, roboi mobili etc., aa nct programele de control funcional ale mainilor-unelte, roboilor sau ale celorlalte dispozitive automate pot fi create, analizate i testate. Se pot evidenia acum soluiile optimale, cum ar fi de exemplu amplasarea optim a unui robot n raport cu toate dispozitivele conexe i aplicaia pe care o efectueaz.

Figura l.U "Nivelul de programare" aplicat pe modelul digital al unui sistem flexibil de fabricaie.

Alte cteva exemple specifice alocate ''Nivelului de programare" ar putea fi urmtoarele: Verificarea traiectoriilor executate de ctre efectorii roboilor i de ctre sculele

achietoare ale mainilor-unelte, pentru a depista posibile coliziuni n spaiul lor de operare.

Planificarea i sincronizarea task-urilor (sub-proceselor de prelucrare) din fiecare celul flexibil de fabricaie.

Analiza tuturor problemelor legate de "divizarea" proceselor tehnologice ntre celulele de fabricaie i evidenierea "trangulrilor'' existente pe toate fluxurile de

fabricaie. Estimarea capacitii ideale de producie, a ratei ideale de fabricaie (jn numr de

produse 1 unitatea de timp) i implicit a productivitii ideale.

LJ Nivelul comportamental. Dac n precedentele dou niveluri au fost luate n consideraie numai modele digitale idealizate ale pieselor, proceselor i sistemelor de

fabricaie, la acest ultim nivel trebuie luate in consideraie diferenele inerente dintre modelarea virtual (idealizat) i lumea real (Figura 1.13). Aa cum am vzut, aceste

diferene sau variaii comportamentale sistemice trebuie introduse n final n modelele digitate, pentru ca acestea s fie "compatibilizate" cu realitatea fabricaiei.

1-20


MODELUL PRODUSULUI (incluznd variaiile)

(Nivel comportamental)

MODELUL PROCESULUI (incluznd variaiile)

Figura 1.13 "Nivelul comportamental" pentru ajustarea modelrii digitale idealizate.

Constrngeri

Cteva exemple aferente ''Nivelului comportamental" ar putea fi: Estimarea performanelor reale ale sistemului de fabricaie: capacitatea real de

producie, rata real de fabricaie (n numr de produse 1 unitatea de timp), productivitatea real etc.

Impactul toleranelor de fabricaie ale tuturor componentelor asupra produsului final i asupra procesului su de asamblare.

Impactul performanelor utilajelor asupra calitii prelucrrilor. Spre exemplu: influena performanelor de "repetabilitate" a roboilor asupra tuturor funciilor tehnologice executate.

Simulrile la nivelul comportamental sunt foarte utile n situaii complexe, unde interacioneaz imprevizibil mai multe aspecte legate de variabilitatea dimensional sau de variabilitatea n poziionarea 1 orientarea pieselor. De exemplu, variabilitatea

dimensional a gurilor de prindere prin prezoane a mai multor piese interacioneaz cu performanele de repetabilitate i de acuratee ale robotului care va monta aceste prezoane.

Lipsa de abilitate n a modela digital aceste procese comportamentale va conduce cu certitudine la mari diferene n privina performanelor estimate comparativ cu cele care vor fi obinute n mod real prin procesul de fabricaie. Multe companii care utilizeaz fabricaia virtual exploateaz ns cu preponderen primele dou nivele, respectiv nivelul static i nivelul de programare, neglijnd beneficiile globale ale nivelului comportamental.

1 - 21

,,


2. EXEMPLE DE STUDII VIRTUALE VIZUALIZATE PRIN INTERFEE GRAFICE GUI

2.1 Introducere

Aa cum am vzut, aplicarea practic a conceptelor specifice fabricaiei virtuale a devenit posibil din punct de vedere tehnic i prin suportul oferit de tehnologia

informaiei. Interfeele grafice cu utilizatorul GUI (Grafica) User Interface) reprezint elementul de interaciune permanent a proiectantului cu produsul, tehnologia

asociat i procesul su de fabricaie. Datorit interfeelor grafice tridimensionale, modelarea i simularea au devenit mult mai uor de neles i de exploatat n beneficiul general al fabricaiei.

n cadrul acestui paragraf vor fi prezentate exemple din cteva clase reprezentative de procese, tehnologii de fabricaie i produse modelate i simulate digital, care sunt redate grafic utilizatorului mtr-o manier virtual prin intermediul unei interfeei grafice GUI denumit MARC (Grafical User lnterface Mentat li). Aceasta va servi ca model pentru familiarizarea gradat cu particularitile i facilitile oferite de majoritatea interfeelor grafice din categoria GUI. Pe de alt parte, exemplele prezentate se pot constitui n "studii de caz", care au i rolul de a sublinia faptul c exist clase extrem de diverse de produse, procese i tehnologii de fabricaie care pot face obiectul modelrii digitale i simulrii comportamentale, sub diferite aspecte.

2.2 Studii virtuale pentru produse i tehnologii de fabricatie

Figura 2.1 prezint imaginea virtual a unui panou care intr n construcia carcasei exterioare a unui avion comercial. n mod tradiional, fiecare panou este realizat dintr-o foaie de tabl, care este trecut de mai multe ori printr-o main de roluit pn cnd forma obinut este cea dorit. Trecerile succesive sunt realizate pentru ca tensiunile interne din material s creasc gradual, fr ca acestea s depeasc anumite valori critice pentru rezistena mecanic ulterioar a panoului.

Figur.t 2.1 Modelarea digital a tensiunilor aprute n procesul de defonnare a unui panou extern din constructia unui avion.

2-1

,.

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE - Note de curs- M. Nitui eseu

n acest caz, modelarea i simularea digital permit identificarea, localizarea i determinarea valoric a tensiunilor care apar n material (foaia de tabl) la o singur trecere prin maina de roluit.

Prin intermediul interfeei grafice, valorile acestor tensiuni sunt afiate prin "zone cu culori diferite", fiecare culoare corespunznd unui anumit domeniu discret al valorilor calculate, aa cum indic imaginea din dreapta Figurii 2.1. Aceasta este de fapt soluia uzual folosit n interfeele GUI pentru reprezentarea grafic a unor valori determinate prin simulare i asociate unor suprafee ale corpurilor. n cazul concret din Figura 2.1, studiul urmrete analiza acestor tensiuni interne sub influena modificrilor poziionale ale rolelor presoare din main, iar scopul studiului virtual este identificarea modului optim de dispunere a rolelor, astfel nct o singur trecere a foii de tabl prin

main s fie suficient pentru obinerea panoului final. Modificarea tehnologiei de fabricaie a panoului (ca rezultat al studiului virtual) astfel nct acesta s poat fi realizat printr-o singur trecere a foii de tabl prin maina de roluit asigur productorului importante economii de timp, manoper i energie, fr a se face rabat de la calitatea produsului.

Figura 2.2 prezint simularea virtual a procesului de !aminare la rece a unui semifa-bricat de tip platband din tabl. Finalitatea procesului const n transformarea formei geometrice a seciunii transversale a acestui semifabricat. Dac semifabricatul iniial are un profil dreptunghiular-plat n seciunea sa transversal, semifabricatul obinut n final dobndete o seciune transversal de forma literei U.

Figur.t 2.2 Simularea digital a procesului de !aminare a unui semifabricat plat pentru a obine un semifabricat cu seciunea de fonna literei U.

Ca i n exemplul precedent, procesul de laminare este asigurat de un set de role presoare, cu anumite poziii i orientri, prin care semifabricatul este forat s treac.

2-2

,.

PRODUCTlC SI TEHNOLOGII MODERNE - Note de curs- M. Nltulescu

n timpul laminrii, semifabricatul sufer procese succesive de ntindere i de deformare plastic. Acestea produc nclzirea semifabricatului dar i anumite tensiuni interne n materialul din care el este construit. Nivelul tensiunilor interne influeneaz direct performanele mecanice finale ale semifabricatului, deci i rezistena mecanic a tuturor pieselor pentru construcia crora el va fi utilizat.

Din cele prezentate anterior, rezult necesitatea modelrii i simulrii procesului de !aminare la rece in cazul produsului analizat. Scopul urmrit este determinarea unei soluii optimizate n privina tehnologiei folosite i a semifabricatului utilizat. Studiul presupune teste virtuale succesive, care sunt evaluate sub trei aspecte: Determinarea performanele mecanice necesare (impuse) pentru semifabricatul

iniial de tip tabl care urmeaz a fi folosit la realizarea produsului, spre exemplu selecia materialului folosit, alegerea dimensiunilor geometrice ale seciunii sale, determinarea rezistenei mecanice la ndoire i la forfecare pe care trebuie s o aib semifabricatul etc.

Tehnologia folosit pentru procesul de !aminare la rece, spre exemplu: numrul de role, dispunerea lor geometric spaial, orientarea reciproc, diferite viteze folosite pentru antrenarea semifabricatului, etc.

Determinarea performanele mecanice obinute pentru produsul fmal n condiiile determinate de precedentele dou aspecte, spre exemplu calitatea produsului finit

reflectat n erori de geometrie, tolerane, rezisten mecanic etc.

n reprezentarea grafic a procesului virtual de !aminare din Figura 2.2, diferitele culori alocate prin soft de interfaa GUI reprezint zone caracterizate prin anumite valori pentru temperaturile i tensiunile interne dobndite de ctre semifabricat, n fiecare faz a !amnrii, pentru o anumit dispunere geometric a rolelor i un anumit tip de semifabricat, adic pentru un aa numit "set al datelor de intrare". Proiectantul (sau platforma software care include acest model al semifabricatului cu seciunea de tip U n modelul general al unui produs finit mai amplu) poate decide dac rezultatele

obinute sunt satisfctoare. n caz contrar, prin modificarea parial sau total a datelor de intrare pot fi efectuate rapid alte teste virtuale, rar a fi necesar realizarea fizic a laminorului, modificarea sa constructiv repetat i alte numeroase i costisitoare determinri experimentale.

n Figura 2.3 este prezentat un caz de simulare i modelare pentru o pies mecanic cu o geometrie relativ mai complicat, asemntoare literei S. Aceast pies este obinut printr-un proces tehnologic de presare executat tot asupra unui semifabricat de tip foaie din tabl. Rezultatele studiului virtual ofer proiectantului (prin interfaa GUI) att transformrile succesive prin care trebuie s treac semifabricatul pentru a dobndi forma final dorit, ct i "tensiunile interne" care apar n material pe parcursul acestor transformri.

Studiul "tensiunilor interne" se face cu o metod de analiz cunoscut n mecanic sub denumirea de "metoda elementului finit". n esen, aceast metod descompune

suprafaa materialului ntr-o mulime de suprafee elementare, care interacioneaz reciproc La nivelul frontierelor (marginilor) dup anumite reguli. Utilizarea acestei metode de analiz permite i determinarea grafic a grosimii piesei presate n fiecare zon (rndul al doilea de imagini), culorile fiind alocate n conformitate cu scara valoric afiat n stnga celor dou imagini.

2 -3


Figura 2.3 Modelarea unei piese presate prin metoda elementului finit i diferite faciliti de observare a detaliilor oferite de interfaa grafic cu utilizatorul.

Prin petele de culori diferite, ultimele trei imagini incluse n Figura 2.3 indic "imperfeciunile" piesei presate. Aceasta conine "zbrcituri" ale materialului, aprute mai ales n zonele de muchie, ca rezultat al tehnologiei folosite pentru a realiza presare.

2-4

,.

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE Note de curs- M. Nltulescu

De asemenea, aceste imagini evideniaz i alte dou faciliti importante, pe care o interfa grafic din categoria GUI le ofer n mod curent: Funcia de "schimbare a unghiului de observaie" n vizualizarea grafic 3D. Prin

aceast funcie se creeaz posibilitatea ca un corp geometric {pies, proces sau model) s poat fi analizat vizual cu uurin pe toate feele i sub diverse unghiuri favorabile aspectului urmrit. O interfa GUl poate conine mai multe funcii dedicate acestui scop.

Funcia de tip "lup grafic" (zoom). Aceasta creeaz posibilitatea de a observa mai bine anumite detalii ale modelului geometric tridimensional.

Figura 2.4 prezint modelarea virtual a unui proces de forjare. Iniial, o bucat de material, adus la temperatura necesar (structura albastr din prima imagine), este

aezat pe partea inferioar a matriei. Cea de-a doua imagine prezint procesul de forjare propriu-zis, respectiv presarea matriei superioare pe matria inferioar. Ultima imagine din Figura 2.4 indic piesa obinut, petele de culoare reprezentnd grasimile piesei din fiecare zon.

Figura 2.4 Simularea unui proces de forjare, cu evidenierea grosimilor piesei obinute n toate zonele sale.

Analiza detaliat a grosimilor piesei presate (analiz posibil cu ajutorul ultimei imagini furnizat prin interfaa grafic Gill) permite proiectantului s decid dac piesa obinut n final rspunde calitativ performanelor impuse. n caz contrar, alte simulri virtuale pot fi realizate prin schimbarea parial sau total a "datelor de intrare" (forma materialului, temperatura iniial a materialului, forma matriei inferioare i a celei superioare, valoarea presiunii folosit pentru forjare etc.), fr a fi necesar un lung ir de experimente i prototipuri fizice reale, nsoite evident de pierderi substaniale de materiale, energie i timp.

Sudura este de asemenea un proces tehnologic fundamental care prezint un interes deosebit pentru simularea digital. n Figura 2.5 se prezint cazul unei suprafee simple dintr-o pies plat pe care se execut un punct de sudur cu arc electric.

Iniial, interfaa grafic prezint ntreaga suprafa a piesei (imaginea din stnga), dar simularea procesului de sudur "conduce" la concluzia c fenomenele termice asociate sunt localizate ntr-o zon de mici dimensiuni, plasat lng punctul de sudur. Ca atare se impune o modificare a imaginii globale prezentat utilizatorului de ctre

interfaa GUl Acest lucru este realizat n imaginea din dreapta cu ajutorul unei funcii GUI de tip zoom, care n plus i "reajusteaz automat scala de discretizare" asociat

suprafeei piesei.

2-5

,.


Figura 2.5 Simularea propagrii cldurii de la un arc de sudur pe suprafaa unei piese, cu evidenierea prin culori a poriunilor de material cu temperaturi cuprinse in anumite domenii prestabilite i ajustarea automat prin GUJ a scalei de discretizare asociat suprafeei piesei.

Scopul urmrit n acest studiu virtual este observarea modului de propagare prin material a cldurii degajate de ctre arcul electric de sudur, precum i evidenierea zonelor de temperatur egal din structura piesei pe durata executrii punctului de

sudur.

2.3 Studii virtuale pentru procese de fabricatie

Aa cum am vzut, fabricaia virtual acoper i aspectele legate de simularea proceselor implicate n realizarea sau funcionarea unui produs, scopul urmrit fiind optimizarea acestor procese. Interfeele grafice GUI permit evidenierea diferitelor faze funcionale, a proceselor i subproceselor implicate, din analiza crora pot fi evideniate i ulterior corectate deficienele majore care pot interveni n procesul de proiectare.

Figura 2.6 prezint un prim exemplu de interfa grafic asociat simulrii unui proces de fabricaie, respectiv analiza deplasrii foii de hrtie printr-o imprimant din clasa Inkjet Printer (imprimant cu jet de cerneal). n aceast simulare, foaia de hrtie este

antrenat cu ajutorul unor ro le ntr-o zon de prenclzire (dispus n partea dreapt), dup care este deplasat sub capul de imprimare plasat n partea superioar a imprimantei. Primele dou imagini ofer aceste informaii de ansamblu.

Prima simulare efectuat (redat de urmtoarele 3 imagini GUI) art faptul c foaia de hrtie face o bucl n interiorul zonei de prenclzire, motiv pentru care ea nu

primete temperatura necesar. Controlul valorii i uniformitii nclzirii hrtiei sunt foarte importante n calitatea fmal a imprimrii, deoarece depirea domeniilor stabilite va conduce n final la distorsiuni geometrice ale imprimrii.

A doua analiz virtual (redat de ultimele 2 imagini) rezolv aceast problem prin ajustarea forei de mpingere 1 tragere exercitat prin rolele de antrenare asupra foii de hrtie, obinnd n final o temperatur uniform pentru un domeniu mult mai larg al parametrilor hrtiei folosite (grosime, densitate sau gramaj pe unitatea de suprafa) precum i o extindere a domeniului vitezei de antrenare a hrtiei de ctre imprimant

2-6


(creterea numrului de pagini care pot fi tiprite n unitatea de timp). Modelarea i simularea virtual, asociate cu reprezentarea grafic a rezultatelor prin interfaa GUI a permis n acest caz mbuntirea procesului de tiprire la imprimanta Inkjet Printer.

Figura 2.6 Analiza virtual a funcionrii unei imprimante cu jet de cerneal n scopul optimizrii funcionale.

Un alt exemplu din aceast categorie este prezentat n Figura 2.7. Figura prezint o simulare virtual (vedere n seciune) a procesului de instalare prin inserie (presare) a unei conducte de lichid de frn n suportul su. Singura for considerat n aceast simulare este cea aplicat din exterior asupra conductei, pentru ca aceasta s deformeze temporar suportul, iar asamblarea prin inserie s aib loc.

Prin interfaa GUT, analiza virtual relev n primul rnd temperaturile dezvoltate n componente pentru anumite "date de intrare". Aceste "date de intrare" se refer la tipul profilelor considerate pentru conducta de frn i suportul su, materialele utilizate pentru construcia celor dou componente i un anumit grad de rugozitate pentru suprafeele aflate n contact. Modificarea "datelor de intrare" permite proiectantului efectuarea unui studiu mai detaliat privind influena modificrii indicelui de elasticitate al suportului asupra procesului de asamblare a conductei de frn. Scopul urmrit este asigurarea unei caliti obligatorii a legturii dintre conducta de frn i suportul su.

2 -7

,.


Figura 2.7 Analiza virtual a procesului de inserie a unei conducte de lichid de frn n suportul su.

Figura 2.8 Analiza virtual a procesului de deformare neliniar a unui burduf de ax planetar.

2-8


Figura 2.8 prezint un exemplu clasic de analiz virtual l)eliniar efectuat asupra unui burduf de ax planetar. Burduful este construit din cauciuc i este folosit n con-

strucia transmisiei autoturismelor. Analiza virtual este foarte util in acest caz, deoa-rece nu este uor de stabilit aprioric natura contactului dintre suprafeele burdufului.

n exemplul prezentat, analiza virtual relev (prin interfaa GUI) comportarea burdufului, att la contactele dintre suprafeele sale rigide i suprafeele sale deformabile, ct i la contactul dintre dou suprafee deformabile. Pentru a observa mai bine detaliile analizei, se folosete funcia de tip zoom-in a interfeei grafice (rndul doi de imagini). Scopul analizei virtuale efectuate in acest caz vizeaz pe de-o parte construcia burdufului din cauciuc (geometrie, material), iar pe de alt parte proiectarea transmisiei mecanice a autoturismului n vederea limitrii deformrilor i contactelor (pentru prelungirea duratei de exploatare).

Figura 2.9 Analiza virtual a impactului dintre portiera unui autoturism i un stlp de telefon, n varianta clasic i n varianta asocierii unei realiti virtuale.

Figura 2.9 prezint o analiz virtual a impactului dintre portiera unui autoturism i un stlp de telefon. Numeroase analize la impact sunt simulate virtual ori de cte ori este

proiectat o nou caroserie de autovehicul. Rolul lor este asigurarea unui grad de protecie sporit al pasageri lor in posibile accidente de circulaie. Rezultatele analizelor sunt utilizate pentru reproiectarea parial a elementelor de caroserie, astfel nct acestea s rspund cerinelor de siguran inc din faza de proiect. Mai mult, aceste analize virtuale sunt cel mai adesea mult mai utile proiectanilor dect informaiile

2-9

,.

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE - Note de curs - M. Nitulescu

preluate din testele reale, ntruct pot fi imaginate i simulate un numr extrem de mare de situaii. Numai dup finalizarea proiectului de caroserie sunt efectuate cteva teste reale la impact, n scopul validrii rezultatelor virtuale anterioare i a aprobrii proiectului final de caroserie.

Dac n primele dou imagini ale Figurii 2.9 impactul este analizat numai din punct de vedere teoretic prin metoda elementului finit, asemntor exemplelor prezentate anterior, ultimele dou imagini relev noile faciliti oferite de interfeele grafice GUJ evoluate, care au devenit capabile s mbine simularea virtual a procesului cu realitatea virtual a mediului su de desfurare. n acest fel , aplicarea practic a tehnologiilor specifice fabricaiei virtuale devine cu mult mai apropiat de utilizator,

interfeele grafice devin mai "prietenoase", iar "gradul de abstractizare", care poate crea adeseori team sau reinere din partea utilizatorilor, este mult diminuat.

O alt facilitate important introdus de noile metode de simulare vittual se refer la "reconsiderarea dinamic a unor modele" care sunt "alterate" pe parcursul simulrilor succesive. n realitate, aceast alterare este asociat cel mai adesea unui proces fizic de uzur a sculelor i dispozitivelor folosite pentru fabricaie.

Un bun exemplu n acest sens sunt procesele de turnare, forjare i presare. Aa cum se cunoate, pe parcursul acestor procese tehnologice matrita este supus la eforturi i temperaturi importante care vor duce la uzura acesteia, mai devreme sau mai tniu.

Exist spre exemplu procese de turnare la care matria nu poate fi utilizat dect o singur dat. n alte cazuri, procesele tehnologice amintite pot fi repetate de un numr de ori cu aceiai matri. Realizarea matrielor pentru piese turnate, forjate sau presate este o operaie extrem de laborioas i de costisitoare. Prin analiza virtual se va

urmri determinarea momentului n care rnatria trebuie nlocuit pentru a nu altera calitatea pieselor. De asemenea, se pot face modificri ale datelor de intrare i analize succesive pentru a stabili noi tehnologii de fabricaie a piesei (design-ul piesei, materialul folosit pentru pies, design-ul matriei, materialul din care este ea

construit, etc.) care s conduc la creterea duratei de via a matrielor.

Figura 2.1 O prezint un caz de analiz virtual n problema clasic a "distorsiuni lor progresive" ale matriei. n matria considerat este presat un cilindru de metal, pentru ca acesta s devin o pies ce are forma exterioar identic cu imaginea intern nega-

tiv a matriei. Analiza virtual determin att modificarea modelului piesei ct i mo-dificarea modelului matriei. Scopul analizei este stabilirea datelor de intrare pentru

pies i matri, astfel nct procesul tehnologic s determine n final deformri mari ale cilindrului de metal i deformri minime ale matriei. Prima imagine GUI arat

situaia iniial a procesului tehnologic, urmtoarele dou imagini indic stri interme-diare, iar ultima imagine indic starea final a matriei care a suferit deformri impor-tante in zonele indicate prin alte culori dect cea folosit iniial pentru reprezentare.

n unele cazuri simulate se poate identifica producerea unor distorsiuni geometrice att de mari pentru matri, nct o nou simulare virtual nu poate fi fcut dect prin ntreruperea programului, reintroducerea modelului iniial i restartarea analizei n noi

condiii de intrare. Programe evoluate i specializate n aceste probleme de analiz virtual, cum ar fi de exemplu MARC TM 1 AutoForge, contorizeaz i controleaz nivelul distorsiunilor geometrice din matri, indicnd momentul cnd matria trebuie

schimbat i introducnd n mod automat modelul iniial n simularea presrii.

2 - 10


Figura 2.10 Analiza virtual simpl a procesului de deformare a unei matrie pe parcursul operaiei de presare.

Figura 2.11 Analiza virtual combinat i interactiv a procesului de deformare a materialului i a matriei.

2-11


n acest sens, Figura 2.11 indic n primele dou imagini situaia ideal prin care, dintr-o bucat prismatic de metal, se obine piesa dorit ntr-o pres. Analiza virtual a fost efectuat n acest caz numai prin considerarea modelului piesei, pentru cele

dou jumti ale matriei fiind considerate modelele ideale (adic infinit rigide).

Datorit slabei caliti a matriei , analiza virtual efectuat n paralel asupra modelului piesei i asupra modelului celor dou semimatrie arat c n realitate acestea din urm vor suferi progresiv distorsiuni geometrice substaniale pe durata unei singure presri,

aa nct forma final a piesei obinute este cea indicat de ultima imagine. Analiza interactiv a celor dou modele necesit ns resurse de calcul mult mai puternice dect cele obinuite.

n mod evident, aceast analiz complect a artat faptul c situaia nu poate fi acceptat sub nici o form, diferenele geometrice dintre piesa dorit i cea obinut fiind enonne. Explicaia const n faptul c matria real (modelat virtual) nu a rezistat nici la o singur presare. Se impune reproiectarea acesteia, sub aspectul materialului folosit pentru construcie i eventual al geometriei interne.

n prima situaie se va pstra integral modelul virtual al matriei , dar vor fi ajustate datele de intrare ale modelului (corespunztor noului tip de material folosit pentru realizarea sa fizic). n a doua situaie, se impune att modificarea modelului matriei ct i a datelor de intrare.

2 - 12


3. PLATFORME SOFTWARE CAR

3.1 Introducere

Platformele software incluse n denumirea generic CAR (Computer Aided Robotics) sunt catalogate n literatura de specialitate ca fiind "aplicaii grafice pe calculator care pot fi utilizate pentru numeroase scopuri n ingineria fabricaiei" .

n esen, orice software CAR reunete un sistem grafic de reprezentare geometric 3D cu funcii de cinematica micrii. Scopul urmrit este simularea funcional virtual a roboilor, a mainilor unelte i a altor dispozitive auxiliare (dispozitive de transport, dispozitive de alimentare, dispozitive de evacuare etc.) prin tehnologia

interfeelor grafice cu utilizatorul GUI (Grafical User lnterface) .

Un model dezvoltat sub un sistem software CAR poate include produse, procese de fabricaie i alocri de resurse materiale pentru fabricaie. Aceste aspecte indic faptul c un sistem sojiware CAR este un instrument de lucru ncadrabil n grupul tehnologiilor de machetare-modelare digital. deci implicit o component important a informaticii industriale.

n mod tradiional, sistemele CAR au fost dezvoltate nc de la nceput pentru a fi utilizate n urmtoarele 5 domenii:

Proiectarea roboilor i a manipulatoarelor. Fundamentarea teoretic i pre-vizualizarea tuturor proceselor aferente

instalrii unui robot. Dezvoltarea aplicaii lor robotizate prin teleoperare. Programarea o.ff-line a roboilor. Simularea funcional a roboilor, n conjuncie cu dispozitivele lor auxiliare

i a altor utilaje conexe.

Proiectarea roboilor i manipulatoarelor a fost una dintre aplicaiile gndite iniial pentru sistemele CAR. S-a demonstrat astfel pentru prima dat posibilitatea de a integra modelarea geometric cu modelarea cinematic i dinamic a structurilor mecanice deformabile, folosind o platfotm hardware standard de tip PC i tehnologii grafice tridimensionale 30. Simularea virtual a comportamentului real al structurilor deformabile ofer proiectanilor o reacie informaional foarte rapid i extrem de

util. Datorit acestei soluii , procesul de proiectare devine mult mai eficient din punct de vedere al timpului, al costurilor dar i al calitii finale a produsului. Explicaia

const n faptul c proiectantul poate depista rapid necesitatea unor ajustri n proiect i le poate efectua la momentul oportun, pe msura dezvoltrii proiectului. De asemenea, mai multe concepte teoretice sau variante practice pot fi testate pentru identificarea soluiei optime care va fi inclus n proiectul fmal.

Suplimentar, aceste prime realizri n domeniul sistemelor CAR au demonstrat i c algoritmii utilizai pentru descrierea cinematic a roboilor au un caracter generic mai larg, aa nct ulterior au putut fi utilizai cu uurin spre exemplu i pentru maini unelte, dispozitive automate de msurare a coordonatelor, axe exterioare de micare specifice


3.2 Aplicatii ale sistemelor CAR

Mai multe avantaje legate de utilizarea sistemelor CAR n diferite aplicai i pot fi identificate i subliniate. ntre acestea, proiectarea roboilor, programarea lor o.ff-line, teleoperarea i simularea proceselor de fabricaie sunt cteva dintre aplicaiile vizate direct sub aspectul conceptului de fabricaie virntal.

3.2.1 Proiectarea i modelarea functional a robotilor

Aa cum se cunoate, structura mecan ic a unui robot este alctuit din mai multe corpuri, teoretic rigide, interconectate prin articulaii. Modelul global al unui robot mbin structuri geometrice CAD (Computer Aided Design) asociate elementelor rigide cu module de funcii cinematice asociate articulaiilor, realiznd n final o descriere a legturilor fizice i relaionale dintre acestea: deplasri , viteze, acceleraii

fore, cupluri, momente de inerie i alte caracteristici ale robotului.

Modelul unui robot este construit adeseori folosind diferite obiecte CAD existente n interiorul sistemului CAR sub forma unor "biblioteci de modele predefinite". Rolul principal al sistemului CAR const n combinarea descrierilor geometrice CAD predefinite cu relaiile cinematice adecvate. Astfel, modelului CAD al fiecrui corp rigid i este asociat un set de relaii matematice care descriu proprietile specifice

articulaiilor adiacente, ca de exemplu domeniul deplasrilor permise, regimuri de viteze i acceleraii, algoritmi de control pentru micarea articulaiei etc.

n alte situaii, punctul de plecare n realizarea modelul robotului este asigurat de un pachet software general din fam ilia CAD cu ajutorul cruia utilizatorul poate s-i modeleze singur orice corp. Exist aici dou posibiliti: Pachetul software CAD este extern, dar nsoete sistemul CAR la livrare. Aceasta

poate constitui un avantaj important pentru utilizator, deoarece proiectantul sistemului CAR va introduce automat n sistem i toate driver-ele necesare pentru t.:umunkatia lllntr~ t.:elt:: uou sisteme software.

Pachetul software CAD este extern, dar nu nsoete sistemul CAR la livrare. n aceast situaie, utilizatorul sistemului CAR va putea apela pentru modelarea geometric a corpurilor la orice sistem disponibil din familia CAD. Rmne ns a fie rezolvat corespunztor problema compatibilitii la import a fi ierelor cu modele CAD n sistemul CAR.

3.2.2 Teleoperarea

P1in teleoperare se nelege un robot care extinde capacitile senzoriale i 1 sau de manipulare ale omului, aceasta fiind controlat "de la distan" de ctre un operator uman prin intermediul unui terminal de tip calculator. Telerobotica prezint un interes deosebit pentru aplicai i n medii nocive i periculoase, care interzic prezena direct a omului (mediul nuclear, exploziv, subacvatic, extraterestru etc.)

Sistemele CAR sunt o component esenial n te lerobotic. Robotul ftzic poate ft controlat de la un terminal extern specializat, ns el poate fi controlat i prin

facilitile interne ale unui sistem CAR. n acest caz, cal itatea te leoperrii depinde att

3-2

PRODUCTIC SI TEHNOLOGII MODERNE Note de curs- M. Nitulescu

de acurateea informaiei creat n mediul virtual CAR ct i de rapiditatea transmisiei informaionale dintre mediul virtual CAR i robotul fi z ic. Rata de transfer a datelor ct i rapiditatea n exercitarea controlului sunt vitale n aplicaiile prin teleoperare.

3.2.3 Programarea off-line

Posibi litatea utilizrii sistemelor CAR pentru programarea off-line a roboilor a fost definit nc de la nceput ca un domeniu important al aplicaiilor CAR. Programarea o.ff-line este un subset al simulrii virtuale i a fost extins n ultimul timp i la alte dispozitive, spre exemplu la mainile-unelte.

Programarea o.ff-line a roboilor este o surs a creterii gradului de utilizae i a celui de eficien 1 productivitate a roboilo1 n mediul industrial. Programarea realizat virtual "n avans" conduce evident la minimizarea timpilor neproductivi ai unui robot, deci implicit la scurtarea timpului de introducere pe pia a unui nou produs i la economii importante.

De asemenea, durata programrii cu ajutorul unui sistem CAR este mai mic dect cea realizat prin tehnicile convenionale (programarea direct prin consol). ntr-un studiu statistic se arat spre exemplu c introducerea programrii o.ff-line pentru un robot de sudur la firma Lincoln Electric lnc. din Cleveland, USA a redus la aproximativ 20 minute timpul de imobilizare al robotului fa de 5-6 ore necesare

programrii clasice directe prin consol. Economii suplimentare au rezultat i n privina orelor totale de manoper pltite pentru programare. Ctigurile legate de productivitatea muncii programatorului nu sunt dictate n primul rnd de durata realizrii programului funcional, comparabil n varianta clasic cu cea virtual. Ele sunt generate de reducerea drastic a timpului ct programatorul trebuie s se deplaseze la robot (existnd varianta transferului rapid prin reeaua uzinal de date -shop floor control) i de reducerea substanial a timpului ct programatorul rmne blocat continuu lng robot pentru fmalizarea operaiei de programare.

Programarea ofl-line reduce riscul de accidente pentru programator, dar i pentru robot. Pentru programator se elimin total staionarea sa n interiorul spaiului de operare al robotului, speci fic programrii convenionale. Pentru robot, col iziuni le pe traiectorii sau alte evenimente nedorite la nivelul articulaiilor ori terminalului (capete de curs, depirea limitelor dinamice recomandate etc.) sunt eliminate nc din faza

testrii virtuale a programului off-line n mediul CAR.

Programarea o.ff-line creeaz premizele necesare pentru optimizarea funcional. Un sistem CAR poate memora n baze de date simulri pentru diferite modele precum i

anumii indicatori de performan asociai (spre exemplu durata ciclului de fabricaie). Varianta optim poate fi apoi selectat i adoptat ca program final off-line.

Un aspect sensibil al programrii o.ff-line este legat de "calibrare". Ca orice proces virtual. nici aici nu se poate obine o reprezentare absolut corect i exact a real itii. Programarea off-line poate fi efectuat fr calibrarea robotului, dar atunci sunt necesari timpi suplimentari de calibrare a robotului real la transferul programului realizat off-line, deci dispar multe din avantajele evidentiate anterior. Prin urmare este necesar ca acest aspect sa fie luat n consideraie la programarea o.ff-line.

3-3


3.2.4 Simularea

Simularea funcional este aplicaia CAR cea mai des folosit. Teoretic poate fi simu-lat att un robot individual ct i sisteme complexe de fabricaie. n practic, simula-rea ntr-un sistem CAR este limitat cel mai adesea la

productică Și tehnologii moderne

Documents