Témata
Reklama

Datová komunikace mezi CAD a CAM softwarem

02. 09. 2002

Problematika přenosu dat mezi CAD a CAM systémy občas vyžaduje experimentovat i s méně obvyklými formáty dat. Jednou z možností je využití formátu STL, který je založen na aproximaci původních CAD modelů pomocí trojúhelníkových plošek.

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.
Reklama
Reklama
Reklama

Možnosti datové komunikace

Řešit problematiku přenosu dat 3D modelů lze pochopitelně různými způsoby:
  • zadáním převodu specializované firmě;
  • převodem dat pomocí obecných výměnných formátů (obvykle IGES nebo STEP);
  • využitím různých utilit pro převod dat;
  • přímým převodem dat pomocí speciálního rozhraní či modulu pro přenos mezi dvěma konkrétními aplikacemi.
  • 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.

    Formát STL

    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.

    Využití STL formátu při obrábění

    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.

    STL data a CAM programy

    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.

    Nevýhody práce s STL soubory

    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.

    Editace vyexportovaných STL 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.

    Závěr

    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.
    Reklama
    Vydání #9
    Kód článku: 20986
    Datum: 02. 09. 2002
    Rubrika: Informační technologie / CAD/CAM/CAE
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Zvyšte potenciál svého 2D CAD softwaru!

    Stále příliš mnoho firem přichází o své finanční prostředky tím, že sice využívají nové technologie, ale ty nezvyšují jejich celkový potenciál. V takovém případě pomůže aplikace DraftSight od Dassault Syst?mes. Pomocí tohoto softwaru lze spouštět stávající DWG soubory a vytvářet nové za zlomek nákladů oproti jiným CAD řešením.

    Aerospace - vlajkový průmysl s extrémními nároky

    Letecký průmysl je ve Francii významným oborem, a tak není divu, že společnost Missler Software získala v této oblasti jedinečné zkušenosti díky spolupráci s většinou subdodavatelů v oboru. To ji spolu s tisíci díly obráběnými pomocí TopSolidCam řadí mezi špičky v leteckých technologiích.

    Zlepšení produktivity navrhování a obrábění

    O něco málo více než po roce je tu opět nová verze parametrického 3D modeláře Creo. Jak se povedlo vývojářům do již páté verze Creo zakomponovat požadavky trhu a jaké jsou hlavní směry inovací?

    Související články
    Příprava CAD modelu součásti pro výrobu

    NC programátoři se velmi často potýkají s problémy týkajícími se různé kvality trojrozměrných modelů potřebné pro programování obrábění. Úpravy mohou být obtížné, protože 3D modely součástí často pocházejí z různých zdrojů.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Letadlo poháněné sluneční energií vyrazilo na cestu kolem světa

    Solar Impulse je projekt mající za cíl vyrobit letadlo poháněné sluneční energií, které dokáže obletět Zemi. Letoun je dílem švýcarského psychiatra a vzduchoplavce Bertranda Piccarda, jednoho z pilotů prvního balonu, který obletěl celý svět bez jediné přestávky, a švýcarského inženýra a podnikatele Andrého Borschberga. Vývoj zastřešuje polytechnika v Lausanne a podílí se na něm několik desítek specialistů.

    Setkávání

    Setkávání uživatelů konstrukčních a technologických softwarů má již dlouholetou tradici. Informace o novinkách, představení nejrůznějších tipů a triků, někdy i možnost si zasoutěžit a v neposlední řadě rovněž výměna zkušeností v neformální atmosféře patří k hlavním bodům programu takovýchto akcí.

    Konstrukce i technologie snadno, rychle a bezpečně

    CAD/CAM systém TopSolid verze 7.9 přináší v návaznosti na technologickou část další rozšíření možností v oblasti obecné konstrukce.

    Softwarový simulátor stavebního stroje nahrazuje nákladné prototypy

    Vývoj stavebních strojů bývá spojen se stavbou fyzických prototypů nových zařízení. Ty však vyžadují vysoké finanční náklady a množství času. Efektivní řešení dnes nabízejí softwarové simulátory. Společnost Volvo Construction Equipment zařadila do vývoje simulátor „human-in-the-loop“, který vyvinula v nástrojích Matlab a Simulink firmy MathWorks.

    Od správy nástrojů po simulaci NC programů

    V oblasti integrované správy nástrojů u společnosti KHS hraje software pro správu nástrojových dat TDM zásadní úlohu. Tento software zde byl zaveden před čtyřmi lety a v současné době poskytuje 3D modely nástrojů a nástrojová a technologická data pro NC programování, simulaci výroby, seřizování nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.

    Softwarové řešení pro přípravu NC programů

    Firma FANUC nabízí možnost rozšíření svých CNC řídicích systémů o grafické programovací prostředí nazvané Manual Guide i.

    CAM pro CMM

    V posledních letech se ve strojírenství stále více dbá na přesnost výroby a tím i na kvalitu a efektivnost měřicího procesu. Měřicí proces dnes zasahuje i do různých stadií výroby, nejen do závěrečného procesu kontroly výrobku.

    Racionalizace obráběcích operací s podporou CAD/CAM systému

    V roce 2010 společnost Montupet zahájila výrobu na nové obráběcí lince v Laigneville ve Francii s cílem optimalizovat výrobu hlav spalovacích motorů a dalších slévárenských dílců pro automobilový průmysl. Mladý tým zkušebního centra pro podporu a vývoj technologií, který se v průběhu let rozrostl ze dvou na deset lidí, si vybral Missler Software jako ideálního partnera na pomoc při racionalizaci pracovních procesů ve svých závodech. TopSolid CAD a CAM jsou velmi vhodné pro systemizaci procesů obrábění a přesné zdokumentování jednoho každého výrobního postupu.

    Komplexní CAM systém s metrologickými nástroji

    Je tomu již několik let, kdy se systém Surfcam zařadil do portfolia produktů společnosti Vero Software, která je součástí nadnárodního technologického koncernu Hexagon. Takováto součinnost softwarových gigantů zaručuje optimální kombinaci nejmodernějších technologií v oblasti výroby a špičkových metrologických nástrojů.

    Simulace v konstrukci - klíč k inovacím

    Dlouho zažitým paradigmatem v průmyslových společnostech je striktní rozdělení konstrukčního a výpočtářského oddělení. To je sice určeno pevnými historicky danými důvody, ale ty v současné době začínají pomíjet. Ve stále více společnostech mají konstruktéři možnost provádět průběžně již během konstrukce jednoduché analýzy a vývojový proces tím zefektivnit. Jak tento trend zachytit a být úspěšní v inovativních řešeních?

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit