Podstawowe zagadnienia, które poznają studenci inżynierii mechanicznej, to: mechanika, materiałoznawstwo, wytrzymałość materiałów, teoria mechanizmów oraz rysunek techniczny. Przedmioty te dostarczają studentom ogólnej wiedzy na temat budowy i działania konstrukcji mechanicznych: rodzajów materiałów i ich właściwości mechanicznych, właściwości statycznych i zachowania dynamicznego elementów mechanicznych, wymagań dotyczących wytrzymałości i sztywności części mechanicznych przy standardowych obciążeniach, a także dokładności i tolerancji wymiarów oraz kształtów. Mając tą wiedzą studenci zapoznają się ze standardowymi elementami konstrukcji mechanicznych, takimi jak śruby, łożyska, wpusty, wały i koła zębate. Studenci ćwiczą projektowanie takich elementów, wykonując obliczenia wytrzymałościowe. Po wyznaczeniu podstawowych parametrów geometrycznych zapewniających spełnienie wymagań należy stworzyć kompletny projekt określający kształty, wymiary i tolerancje. Ten etap realizowany jest z wykorzystaniem systemów CAD, takich jak SOLIDWORKS lub CATIA. W przypadku aplikacji CATIA wykorzystuje się aplikacje Part Design i Generative Shape Design. Studenci ćwiczą szkicowanie profili w płaszczyźnie. Na podstawie tych szkiców tworzone są podstawowe elementy bryłowe i powierzchnie, które uzupełnione o elementy wykończeniowe takie jak zaokrąglenia, fazowania, pochylenia ścianek czy gwinty tworzą kompletny model pojedynczego elementu. 

Powiązane firmy

Kolejnym etapem jest zaprojektowanie złożenia kompletnego produktu. Wymaga to wykorzystania wiedzy z zakresu mechaniki, budowy maszyn, teorii mechanizmów czy robotyki. Projekt taki obejmuje zdefiniowanie struktury produktu, zaprojektowanie poszczególnych części oraz ich połączenie w podzespoły z uwzględnieniem wymaganej ruchliwości. Zadania te realizowane są w aplikacji Assembly Design.

Integracja systemu CAD z platformą 3DEXPERIENCE umożliwia łatwe i skuteczne zarządzanie projektem i realizację pracy zespołowej. Grupy składające się z czterech do pięciu studentów planują projekt, tworzą modele CAD produktu, opracowują proces montażu i weryfikują go za pomocą symulacji. Rysunek 1 przedstawia model CAD kosiarki. Model ten został stworzony drogą inżynierii odwrotnej – rzeczywisty produkt został rozmontowany, wszystkie części zostały zwymiarowane, a ich modele utworzono w programie CATIA. Następnie zdefiniowano strukturę produktu. Na koniec opracowano i zweryfikowano poprzez symulację proces montażu produktu. Wykorzystano do tego celu w aplikację DMU Fitting. Dla podzespołu silnika spalinowego operacje montażowe realizowane przez operatora zostały zamodelowane przy użyciu aplikacji Ergonomics Design & Analysis. Powyższy przykład ilustruje integrację projektowania produktu z przygotowaniem procesu jego wytwarzania. Wyniki symulacji montażu produktu mogą zostać wykorzystane do modyfikacji projektu produktu, implementując podejście „projekt dla montażu” (ang. design for assembly) jak również do optymalizacji procesu samego montażu.

Analiza produktów

Złożoność rzeczywistych produktów powoduje, że analityczne metody analizy wytrzymałościowej opracowane dla prostych kształtów i uproszczonych obciążeń przestają być już wystarczające. Zastosowanie narzędzi metody elementów skończonych dostępnych w systemie CATIA umożliwia znalezienie naprężeń i przemieszczeń części o różnych kształtach dla złożonych przypadków obciążeń. Ponadto, po zdefiniowaniu połączeń między częściami, można przeprowadzić analizę całych produktów.

Rysunek 2 przedstawia przykładowe widoki analizy MES robota przemysłowego Fanuc R-2000i. Model robota zbudowano w oparciu o dostępną dokumentację producenta. Najpierw przeprowadzono analizę podstawy robota dla obciążeń wynikających z ciężaru robota i obliczono zredukowane naprężenia oraz przemieszczenia. Następnie przeprowadzono analizę całego robota. Do analizy zastosowano obciążenia wynikające z ciężaru robota, jego udźwigu oraz obciążenie bezwładnościowe dla ruchu obrotowego ramienia robota. Aby ograniczyć rozmiar modelu i skrócić czas obliczeń uproszczono geometrię połączeń śrubowych. W analizie wyznaczono przemieszczenie kołnierza robota jako wielkość wpływającą bezpośrednio na dokładność działania robota.

Modelowanie zasobów systemu wytwarzania

Oprogramowanie Dassault Systèmes wspiera również projektowanie procesów produkcyjnych. W przypadku produktów zaprojektowanych w systemie CATIA, proces produkcyjny może być opracowany i zweryfikowany w systemie DELMIA. Modelowanie procesu produkcyjnego wymaga modeli urządzeń produkcyjnych. DELMIA oferuje bogaty katalog urządzeń przemysłowych, takich jak roboty, przenośniki czy wygrodzenia. Istnieje również możliwość definiowania własnych katalogów. Rysunek 3 przedstawia katalogi zdefiniowane przez użytkownika z modelami chwytaków firmy Festo i pozycjonerów firmy Kawasaki. Model źródłowy urządzenia tworzony jest z wykorzystaniem modelowania parametrycznego, a następnie generowana jest seria urządzeń na podstawie wartości parametrów zapisanych w tabeli projektowej. Aby uzyskać w pełni funkcjonalne modele zasobów, gotowe do użycia w gnieździe produkcyjnym, należy je uzupełnić o definicję struktury kinematycznej oraz parametrów sterownika ruchu, co jest realizowane w aplikacji Equipment Design.

Modelowanie linii produkcyjnych

Posiadając wiedzę z zakresu projektowania produktów, planowania procesów produkcyjnych oraz modelowania zasobów produkcyjnych, studenci projektują systemy wytwarzania i weryfikują ich działanie. Modele zasobów, pobierane ze standardowych katalogów lub tworzone przez użytkowników, organizowane są w linie lub gniazda produkcyjne. Po ustaleniu rozmieszczenia zasobów definiowane jest działanie systemu. Obejmuje ono definiowanie zadań dla pojedynczych zasobów roboczych oraz synchronizację zadań na poziomie zasobów organizacyjnych. Działanie systemu jest weryfikowane poprzez symulację.

Różne warunki działania systemu można sprawdzić poprzez definiowanie scenariuszy symulacyjnych. Takie podejście pozwala na identyfikację potencjalnych problemów i uzyskanie quasi-optymalnego rozwiązania z wykorzystaniem wirtualnego modelu systemu, zanim zostaną poczynione jakiekolwiek inwestycje. Widok dydaktycznej linii montażowej oraz widok modelu tej linii, zbudowanego w oprogramowaniu DELMIA, przedstawiono na rysunku 4.

Programowanie robotów przemysłowych

Platforma 3DEXPERIENCE udostępnia , w obrębie systemu DELMIA, zestaw aplikacji wspierających wdrażanie robotów przemysłowych. W przeciwieństwie do oprogramowania producentów robotów (RoboGuide, K-Roset, Robot Studio), które jest dedykowane programowaniu robotów danej marki, oprogramowanie DELMIA jest uniwersalne i umożliwia modelowanie, symulację oraz programowanie stanowisk z różnymi robotami. Wbudowany katalog zawiera ponad 1,5 tysiąca modeli robotów przemysłowych różnych producentów, gotowych do wykorzystania w modelowaniu stanowisk zrobotyzowanych. Studenci uczą się, jak zdefiniować układ gniazda oraz zintegrować z robotem jego wyposażenie, takie jak chwytaki, pozycjonery i tory jezdne.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Rynek

Akademia Dassault Systèmes: Systemy CATIA i DELMIA w kształceniu inżynierów XXI wieku

Współczesny przemysł stoi w obliczu bezprecedensowych wyzwań. Globalizacja gospodarcza drastycznie zwiększa konkurencyjność, w szczególności ze strony szybko rozwijających się gospodarek azjatyckich.

Następnie definiowane są zadania robota. Zadania te zawierają wszystkie informacje niezbędne do zdefiniowania działania robota dla danego zastosowania. Pozycje docelowe ruchu robota mogą być definiowane ręcznie, a do generowania złożonych trajektorii ruchu, na przykład dla zadań spawania, może być bezpośrednio wykorzystana geometria produktu. Definiowane zadania zawierają dane dotyczące ruchów robota, takie jak prędkość, dokładność i interpolacja. Dodawane są również wymagane sygnały i funkcje synchronizacji zadań. Zdefiniowane w zadaniu działanie robota weryfikowane jest poprzez symulację a po potwierdzeniu jego poprawności, można wygenerować program sterujący dla robota. Rysunek 5 przedstawia model gniazda zrobotyzowanego z robotem Kawasaki do operacji pick-and-place. Przed przesłaniem, wygenerowanego w systemie DELMIA, programu sterującego do kontrolera robota, przeprowadzana jest dodatkowa kontrola jego poprawności. W tym celu wykorzystano systemy KIDE i K-Roset – przeznaczone do programowania offline robotów firmy Kawasaki.

Weryfikacja programów PLC

Kolejnym obszarem zastosowań oprogramowania Dassault Systèmes jest integracja ze sterownikami PLC. Dla modeli urządzeń zbudowanych w systemie CATIA, można zdefiniować logikę ich działania korzystając z funkcjonalności systemu DELMIA. Następnie można zestawić połączenie między rzeczywistym sterownikiem PLC a modelem urządzenia w systemie DELMIA. Odbywa się to za pośrednictwem serwera OPC. Rozwiązanie takie umożliwia wiarygodną walidację programu sterującego uruchomionego na rzeczywistym sterowniku PLC z wykorzystaniem wirtualnego modelu sterowanego urządzenia. Na rysunku 6 przedstawiono połączenie między modelem zmieniacza palet w systemie DELMIA v5 a sterownikiem Siemens S7-300. Do wymiany danych wykorzystano serwer OPC KEPServer.

Podsumowanie

Polityka firmy Dassault Systèmes dotycząca współpracy z instytucjami edukacyjnymi, wspierająca proces kształcenia pozwala na wprowadzenie większej ilości aspektów praktycznych do kształcenia w zakresie inżynierii mechanicznej. Studenci uczą się projektowania produktów w aplikacjach CAD – SOLIDWORKS i CATIA. W procesie nauczania uwzględniane są również zagadnienia analizy i wytwarzania produktów. Dzięki temu studenci mogą integrować wiedzę i umiejętności, a młodzi inżynierowie rozpoczynający karierę zawodową są lepiej przygotowani do stawiania czoła wyzwaniom w przemyśle, zwłaszcza w obszarze digitalizacji. Jest to istotne, ponieważ coraz więcej działań związanych z cyklem życia produktu odbywa się w środowisku wirtualnym, a efektywne wykorzystanie dostępnych narzędzi wymaga dobrze przygotowanych inżynierów.

W artykule przedstawiono jedynie wybrane aspekty wykorzystania oprogramowania Dassault Systèmes w kształceniu w obszarze inżynierii mechanicznej. Podobnie, przedstawiono jedynie przykładowe projekty, ilustrujące omawiane zagadnienia.

Źródło: Dassault Systèmes