Datová komunikace mezi CAD a CAM softwarem

Technologickou přípravu výroby zejména pro CNC řízenou výrobní techniku si dnes již nelze představit bez výpočetní techniky a rozmanité palety různého softwaru. Zejména různé simulační a optimalizační programy nebývale urychlují, zkvalitňují, ale i zlevňují návrh postupů jednotných technologií a zpřesňují výběr technologických parametrů. To pak pochopitelně přináší zefektivnění celé výroby. Současné možnosti přenosu 3D dat umožňují i menším firmám využívat služeb specializovaných pracovišť, která se zabývají řešením jednotlivých technologických problémů při návrhu postupu výroby. Problém, který však přetrvává, souvisí s načítáním digitálních dat modelů [1, 2, 3]. Pokud se už model podaří načíst, výsledek nemusí být přijatelný. Vždyť snad u každého překladače existuje řada nastavení, která ovlivňují rychlost a kvalitu, s níž lze model exportovat a importovat do jiného softwaru.

Řešit problematiku přenosu dat 3D modelů lze pochopitelně různými způsoby:

Každá z těchto metod nachází své uplatnění a každá má své pro a proti. Na jedné straně přitom stojí požadavek na maximální operativnost a rychlost přenosu, na druhé straně finanční stránka věci. To nás vedlo k řešení, které využívá netradičního přenosového formátu: nechali jsme se inspirovat firmou Delcam, která pro komunikaci svých různě specializovaných CAD a CAM PowerMILL používá formát dat na bázi trojúhelníkových plošek.

Původním určením formátu STL (Stereolitography Tessellation Language) bylo poskytnout jednoznačnou reprezentaci objemového modelu pro výrobu na stereolitografických strojích. Formát STL se dnes používá i pro další procesy rapid prototypingu, jako je selektivní laser sintering, výroba laminovaných objektů (laminated object modeling) a fused deposition modeling. Modely složené z trojúhelníkových ploch se osvědčují i v simulaci procesu slévání či tváření, při napěťové a teplotní analýze apod. Delcam International (Birmingham Anglie) byl pak jedním z prvních CAD/CAM vývojářů, který použil STL soubory pro obráběcí aplikace.

Stereolitografický proces je v mnoha ohledech opačný než obrábění. Fyzický model nevzniká odebíráním materiálu z polotovaru, ale je vytvářen sestavováním tenkých horizontálních 2D vrstviček do 3D tvaru. 3D CAD model slouží jen jako hranice, ze které je tato posloupnost 2D řezů vytvářena. Podle definice je STL model úplně uzavřená hraniční reprezentace, sestavená pouze z trojúhelníkových plošek (facets), jejichž velikosti závisí na toleranci použité na povrch původního objemového modelu. V STL formátu je každá ploška definována souřadnicemi X, Y, Z svých tří vrcholů a normálovým vektorem plochy, který směřuje na vnější stranu tělesa. Formát také obsahuje pravidla pro zajištění toho, aby všechny trojúhelníky byly správně spojeny ve všech uzlech. Z hlediska struktury vzniká použitím formátu STL jakási gotická klenba, která je ovšem schopna reprezentovat - jako jednu entitu - jakýkoli tvar. Ploškové modely nejsou určitě všelékem, neboť nejde o formát určený pro modelovací nástroj nebo pro definici drah obrábění. Mohou však učinit přenosy souborů 3D modelů méně problematickými, i když pochopitelně asi ne ve všech případech přijatelnými.

Síla STL souborů nespočívá v komplexnosti, ale právě naopak v jednoduchosti. Nejzákladnější rovinné entity - trojúhelníky - jsou používány pro popis všeho. Pokud se použije mnoho těchto trojúhelníků pro reprezentaci geometrie, ušetří to při překladu souboru a generaci drah nástrojů spoustu vad, chybějících dat a nejednoznačností vznikajících při překladu ploch a objemů, protože způsob, jak reprezentovat trojúhelník, je jednoduchý a navíc i jednoznačný. Trojúhelníky mají vždy právě tři strany a tři vrcholy, takže jsou vždy rovinné a vždy mohou pokrýt oblast bez mezer a přesahů. Snad každý komerční plošný nebo objemový modelovací systém může generovat přesnou trojúhelníkovou reprezentaci svých modelů (minimálně pro barevné stínování). Je třeba však říci, že žádný CAD ani CAM program nevytváří původní geometrii v STL formátu. Většinou je 3D geometrie vytvořena konvenčními modelovacími nástroji - povrchy a objemy -, a potom je konvertována do trojúhelníkové aproximace originálu. Uživatel zadá algoritmu pro generování sítě velikost trojúhelníků ve vazbě na toleranci odchylky pro vytvoření 3D dráhy nástroje. Klíčovou výhodou použití STL souborového formátu je to, že obsahuje jen tu informaci, kterou NC programátor potřebuje - geometrii součástky. V souboru nejsou žádné další informace naznačující strukturu původního CAD souboru. To pomáhá zjednodušit proces přenosu geometrie obrobku z jednoho systému do jiného a šetří práci při eliminaci chyb, protože STL soubor je podle definice uzavřený jednoznačný objem.

Na straně CAM se v budoucnosti může nepřístupnost originálních povrchových dat ukázat jako limitující. Dnes však, pokud je STL soubor vhodně sestaven, neměl by CAM operátor jiná data potřebovat.

Po konverzi dat se často setkáváme s požadavkem přemodelovat součástku zakázky, protože struktura modelu nevyhovuje technologii obrábění. Často je třeba spojit několik malých plošek, aby mohly být obrobeny jako jedna, nebo je třeba přidat zaoblení plochám, jejichž hranice přesně nenavazují atd. Ani jedna z těchto operací není potřeba při obrábění s použitím STL souborů pro přenos dat. To proto, že algoritmus konverze závisí na tvaru součástky a ne na uspořádání součástí povrchu.

Výpočet dráhy nástroje z trojúhelníkových modelů může být i rychlejší než přímá práce s komplexními modely. Matematická reprezentace trojúhelníkových modelů je velmi jednoduchá, a proto může být i algoritmus pro generování dráhy nástroje také relativně jednoduchý. Naopak při práci s komplexními povrchovými reprezentacemi musí mít algoritmus pro generování dráhy nástroje zabudované mnohem silnější matematické kontroly proti nepředvídaným skutečnostem.

Práce s STL soubory má pochopitelně také své nevýhody. Aproximace originální geometrie na model složený z trojúhelníků vyvolává otázky spojené s přesností tvarů. Z principu práce obráběcího stoje však vyplývá, že se model dříve nebo později stejně stane "ploškovým". To proto, že všechny dráhy nástroje se skládají z lineárních pohybů. Chyby při těchto aproximacích musí být velmi malé, a proto plošky modelu bývají generovány s nastavenou tolerancí 0,001 mm. Procesor pro generování dráhy nástroje nebo pak i softwaru řídicího systému může použít i jednoduchou logiku k přesnějšímu přiblížení se k základní geometrii: pro konvexní tvar bude střed lineární dráhy přes plošku zřejmě ležet blíže k základní geometrii, u konkávní plochy naopak.

Větším problémem může být velikost STL souboru. To proto, že čím je potřeba přesnější aproximace komplexní 3D geometrie, tím je třeba větší počet trojúhelníků. Soubor také obsahuje množství zdvojených informací, protože vrcholy každého trojúhelníku jsou uvedeny jednotlivě. Bude-li daný vrchol sdílen dvěma nebo více sousedními trojúhelníky, bude coby bod zapsán dvakrát, třikrát nebo i vícekrát. Normála povrchu každého trojúhelníku je explicitně definována jako vektor, což pomáhá vylepšit rychlost zpracování pro rapid prototyping, ale pro tříosé obráběcí aplikace jde o nepotřebná data. Uživatelé STL tedy musí používat větší soubory dat. Existují však způsoby jak komprimovat data, aby se s nimi lépe manipulovalo. Větší výpočtové rychlosti pak zmírní nevýhodu velikosti souborů.

Další podstatnou nevýhodou zvláště pro CAM systémy je, že existuje málo možností, jak jednou vyexportovaný STL soubor editovat. CAM systém proto musí spoléhat na to, že CAD vyprodukuje bezvadnou STL reprezentaci s vhodnou tolerancí. To však závisí nejen na schopnostech CAD systému, ale i na jeho operátorovi.

Jisté způsoby, jak opravit vadné STL soubory, však existují. Například software firmy Delcam má funkci nazvanou TriFIX. Ta setřídí spojitosti plošek a vyplní malé mezery, odstraní duplicitní uzly, napraví překrývající se trojúhelníky atd. Navíc do CAM procesoru může být zabudována inteligence, která je shovívavá k nedokonalým modelům. Například když systém PowerMILL vytváří dráhu nástroje, automaticky přechází přes díry v geometrii menší, než je průměr vybraného nástroje. Avšak žádný záchranný kit nemůže kompenzovat příliš volně nastavenou toleranci plošek nebo dokonce opravovat model bez úkosů, s nevhodně zvolenou dělicí rovinou nebo bez jiných důležitých tvarů. Tyto případy vyžadují návrat k původnímu plošnému nebo objemovému modelu a jeho editaci.

Při převodu ploch do ploškového modelu jsou ztraceny hranice ploch. Často mohou být tyto hranice znovu vytvořeny funkcemi CAM, ovšem bohužel ne vždy. Funkce jako tužkové dokončování (nástroj je automaticky veden po ostrých průsečnicích ploch), jsou sice stále možné, ale jen s použitím algoritmů analyzujících ploškové modely a hledající náhlé změny v povrchových normálách.

Sestavit dnes jednoznačná doporučení pro přenos dat mezi systémy CAD a CAM je obecně asi nemožné. Nezbývá tedy než občas experimentovat i s méně obvyklými formáty dat. Odstranění všech problémů přinese až budoucnost. Práce Mezinárodní standardizační organizace (ISO) na implementaci standardu pro převod elektronických dat, zvaného International STandard for Exchange of Product Model Data (STEP), jistě bude kvalitativním skokem. STEP je v podstatě obecná struktura fungující jako šablona pro sdílení dat mezi různými uživateli přes všechny funkční oblasti. STEP umožní opakovaný návrh inovovaného produktu při zohlednění připomínek z výroby i provozu produktu stávající verze. Ty se vyhodnotí a analyzují před samotnou výrobou nového produktu. STEP také nabídne ohromné výhody pro efektivní znovupoužití a řízení toku informací z různých strojírenských a výrobních disciplín. Dokud však nebudou sporné otázky STEP vyřešeny a nebude zaveden jeden definitivní standard pro datové přenosy, budou muset jednotliví uživatelé i nadále pracovat s několika formáty digitálních dat obrobků v závislosti na požadavcích softwaru spolupracujících firem či zákazníků.

Tato problematika je na Ústavu strojírenské technologie řešena v rámci Výzkumného záměru CEZ:J04/98:212200008.