APLIKÁCIA PLM SOFTVÉRU SIEMENS NX V PRAXI

Transcription

1 APLIKÁCIA PLM SOFTVÉRU SIEMENS NX V PRAXI Abstrakt Ing. Dalibor Kužma dalibor.kuzma@tuke.sk Ing. Peter Korba, PhD. peter.korba@tuke.sk Ing. Michal Hovanec, PhD. michal.hovanec@tuke.sk Ing. Jana Cibereová jana.cibereova@tuke.sk The main objective of this article is to show the complexity and usage of PLM (product lifecykle managment) software, Siemens NX. NX software options are shown in real product development of helicopter main rotor, part of which is the formation of kinematic model. Elaborated kinematic model is functional elements of UAS based on the helicopter, which is the subject of research at faculty of aeronautics at the Technical University in Košice. Key words: Siemens NX, PLM, Kinematic model ÚVOD Nutné predpoklady doby vedú k zákonitému procesu zmeny a ďalšej priemyselnej revolúcii potenciál zvyšovania produktivity z predchádzajúceho obdobia sa vyčerpal. Predchádzajúce obdobie - celé dve uplynulé dekády prevládli v priemysle manažérske prístupy zamerané na odstraňovanie plytvania, zrýchľovanie výroby a zvyšovanie pružnosti. Dnes už to nestačí, cesta k ďalšiemu zvyšovaniu produktivity vedie len cez nové, netradičné technológie. V dnešnej spoločnosti je pre udržateľný rozvoj potrebné rýchle napredovanie a implementácia nových technológii. V tomto napomáhajú aj moderné CAx systémy, v ktorých dokážeme rýchlo, jednoducho a presne navrhnúť a analyzovať nové súčiastky alebo optimalizovať už zaužívané postupy a súčiastky. K týmto systémom patrí aj PLM riešenie od spoločnosti Siemens. Portfólio spoločnosti Siemens zahŕňa aj softvér NX pre navrhovanie, reverzné inžinierstvo a analýzy. V článku si priblížime tento softvér a ukážeme jeho prednosti a možnosti využitia v zložitejších systémoch. PREDNOSTI SYSTÉMU NX Softvér NX patrí medzi najkomplexnejšie riešenia na súčasnom trhu v oblasti CAD/CAM/CAE technológii. Zahŕňa potreby takmer všetkých odvetví leteckého priemyslu. V jedinom systéme je možné vyriešiť celý rad komplikovaných úloh. Od úplného návrhu konceptu cez konštrukčný návrh, overenie kinematickej funkčnosti, pevnostných a iných matematických analýz, optimalizácií, až po vytvorenie CNC kódu pre obrábacie stroje či programu pre meracie stroje. Okrem iného, výkonnosť i výnimočnosť systému NX môžeme opísať v niekoľkých kľúčových vlastnostiach: 1. Produktivita Prostredníctvom opätovného využívania informácií systém NX zvyšuje produktivitu konštruovania, simulácií, analýz, navrhovania nástrojov či obrábania. Systém disponuje možnosťou priamo využívať CAD dáta z iných systémov. Dokáže minimalizovať potrebu ich prepracovania čím znižuje časovú náročnosť. [2] 2. Flexibilita Okrem iných výhod ponúka NX aj nebývalú flexibilitu, kedy je možné pracovať s údajmi vytvorenými v inom konkurenčnom systéme. Využíva výber mnohostranných prístupov, nástrojov a techník pre dosiahnutie požadovaných vývojových úloh. 3. Koordinácia NX poskytuje rovnorodé prostredie aj konzistentné procesy, ktoré môžu urýchliť čas potrebný pre vývoj. Prepojenie jednotlivých aplikácií v NX zabezpečuje okamžite premietnuť zmeny naprieč všetkými vývojovými disciplínami, od tvorby konceptu po výrobu. Podstatnou výhodou systému NX je použitie PLM softvéru Teamcenter. Tento softvér slúži ako zdroj informácií o produktoch a procesoch. Zoraďuje a porovnáva všetky fázy vývoja, štandardizuje procesy a urýchľuje tak rozhodovanie. 4. Objemné a výkonné riešenie problémov V NX je možné riešiť extrémne náročné problémy, pretože použité nástroje disponujú veľkým výkonom a schopnosťami pre efektívnu prácu pri vývoji leteckých komponentov, a to aj pri zložitej geometrii či pri veľkých zostavách 62

2 produktov. Aby nedochádzalo k tvorbe drahých fyzických prototypov, NX obsahuje pokročilé spôsoby simulácii, ktoré si poradia aj s tými najnáročnejšími úlohami v oblasti výpočtov CAE. Pomocou moderných nástrojov a obrábacích technológií NX umožňuje zdokonaliť výrobu v leteckom priemysle. 5. Otvorené prostredie Otvorený súbor podmienok projekčnej činnosti NX umožňuje chrániť existujúce investície do informačných technológií, vďaka jednoduchej realizácií riešení od iných dodávateľov do procesov digitálnej tvorby výrobkov. V porovnaní s inými systémami, systém NX ponúka niekoľko alternatívnych výhod: vytvorenie osobitých návrhov, pre ktoré je štýl, estetická pôsobivosť a formálna kvalita kľúčovým prvkom pre odlíšenie na trhu; pracuje s dizajnom, použiteľnosťou, vyrobiteľnosťou a cenovou dostupnosťou v rámci návrhových procesov; poskytuje rýchle vyhodnotenie dizajnových konceptov na základe fotorealistických vizualizácií a virtuálnych prototypov; odstraňuje bariéru medzi skupinami konštruktérov a zvyškom organizácie pri vývoji produktov, z dôvodu ich obmedzovania návrhovými nástrojmi. PRIEMYSELNÝ DIZAJN V NX NX disponuje komplexnou sadou nástrojov pre priemyselný dizajn a koncepčné návrhy pre letecké či kozmické spoločnosti. Koncepčný dizajn NX poskytuje konštruktérovi slobodu pri návrhu ich konceptov s použitím toho najvhodnejšieho modelovacieho prístupu, vrátane štandardných parametrických či voľných techník s analýzami povrchov a pokročilú vizualizácií pre vyhodnotenie návrhu. Umožňujú vytvárať rozličné typy plôch krídel, trupov, profilov, spájať ich s povrchmi na báze kriviek, úpravami kontrolných bodov a zoskupovať všetky prístupy do jedného pracovného postupu pre vyriešenie aktuálnej úlohy. Vizualizácia konceptov konštruktérov je dosiahnutá aplikovaním farieb, použitím iných materiálov, textúr a typu osvetlenia. S využitím reverzného inžinierstva dokáže NX vytvárať CAD modely z naskenovaných reálnych objektov integráciou do polygónovej siete. Pre ukončenie procesu návrhu NX disponuje nástrojmi pre uľahčenie prenosu návrhu do konečnej podoby. Umožňuje použiť koncepčný model priamo v konštrukcii výrobku vrátane spracovania detailného návrhu, simulácií a obrábania. [4] LETECKÝ PRIEMYSEL A NX Špičkové konštrukčné nástroje pre modelovanie v NX predstavujú prielom z hľadiska efektívnosti, všestrannosti, flexibility, produktivity a uplatnenie tak v rôznych inžinierskych činnostiach v leteckých spoločnostiach. NX obsahuje špecifické modelovacie nástroje a pracovné metódy pre tvorbu distribučných systémov, plechových dielov či konštrukciu v prostredí leteckého priemyslu a ďalších. NX umožňuje konštruktérovi jednoducho pracovať s objemnými zostavami a vymedziť rámec pre detailné spracovanie konštrukcie v samotných pod zostavách a dieloch. Konštrukčné tímy môžu spoločne prezerať, modifikovať a vyhodnocovať kompletné virtuálne modely výrobkov s cieľom odstránenia prípadných problémov. Možnosti plánovania dráh a obálok pohybu dielov v zostave umožňujú optimalizovať konštrukciu so zreteľom na montáž, demontáž, údržbu a servis. V dnešnom konkurenčnom prostredí sú CAx technológie predpokladom pre úspešné podnikanie v leteckom priemysle. [3] Aj tie najväčšie svetové letecké veľmoci ako Airbus, Boeing či ukrajinský Antonov využívajú výhody CAx systémov vďaka ich širokému spektru aplikačných možností výrobnej činnosti počnúc od plánovania, riadenia, organizovania až po samotnú distribúciu. Boeing, ktorý je najväčším výrobcom komerčných dopravných a vojenských lietadiel využíva produkty spoločnosti Siemens PLM Software už niekoľko desiatok rokov. V roku 2012 podpísal Boeing so spoločnosťou Siemens PLM Software zmluvu o predlžení používania softvéru NX na ďalších desať rokov. Boeing používa NX 3D CAD a Teamcenter softvér pre správu životného cyklu výrobku. Taktiež používa širokú škálu softvérov od iných dodávateľov, najviac od konkurenta Dassault Systèmes, softvér Catia 3D CAD. Produkty od spoločnosti Siemens PLM Software využíva aj ukrajinský štátny podnik Antonov. Softvér NX tento podnik aplikuje na riadenie výroby lietadiel a organizáciu služieb, najmä pri výrobe ťažkého nákladného lietadla An- 124 Ruslan a nákladného lietadla An-70 pre stredne krátky vzlet a pristátie. Kľúčovým faktorom pre výber softvéru NX Antonovom je jeho otvorená architektúra a schopnosť integrácie s rôznymi systémami CAD technológiami, rovnako ako jeho flexibilita pri prispôsobovaní špecifických úloh zákazníkov. NX umožňuje lepšiu automatizáciu technického spracovania a zvyšuje celkovú efektivitu výroby, skracuje čas návrhu a zlepšuje produktivitu uvádza spoločnosť Antonov [5],[6]. 63

3 VYUŽITIE SOFTVÉRU V PRAXI Softvér NX má v praxi veľa možností využitia v praxi aj na našej fakulte. Jeden z možných príkladov je tvorba kinematického modelu nosného rotora vrtuľníka. Tento kinematický model tvorí komplexný systém vahadiel, tiahel, hradeľov a iných súčiastok, ktoré spolupracujú ako jeden celok pre zaistenie pohybu listov nosného rotora a ich riadenia počas letu. Vytvorený kinematický model zobrazuje ako funguje celý nosný rotor vrtuľníka. Pred vytvorením kinematického modelu bolo potrebné vytvoriť modely všetkých súčiastok a spojiť ich do jednej stacionárnej zostavy. VYTVÁRANIE KINEMATICKÉHO MODELU Pre simulovanie pohybu nosného rotora vrtuľníka, vytvorenie animácie jeho práce a analýzy je potrebné vytvoriť kinematický model. Kinematický model sa vytvára z vopred pripravenej zostavy po prepnutí do prostredia Motion Simulation programu Siemens NX 9.0. V tomto prostredí už nie je možné upravovať polohy súčiastok, preto by mali byť všetky polohy a rozstupy doladené vopred. Po prepnutí prostredia na Motion Simulation bolo potrebné vytvoriť novú simuláciu. Program automaticky vyhľadá súčiastky a určí všetky kinematické väzby a tieto väzby vypíše do tabuľky. Keďže Automatické určovanie väzieb nedokázalo definovať správne všetky väzby, bolo potrebné celú tabuľku určiť ako nedefinované aby nevznikali problémy. URČENIE CELKOV Na vytvorenie kinematických väzieb bolo najskôr potrebné vytvoriť Linky. Link je časť zostavy ktorá sa dokáže pohybovať ako celok. Do jedného linku je možné pridať viac súčiastok, tak aby sa pohybovali ako jeden celok. Po zaradení súčiastok do linku nie je potrebné medzi týmito súčiastkami vytvárať kinematické väzby. Po kliknutí na Link sa zobrazila tabuľka do ktorej boli postupne vkladané jednotlivé časti jedného celku. Takýto link je zobrazený na Obr. 1. Obr. 1 Vývojový diagram tvorby kinematického modelu Obr. 2 Kinematický celok 64

4 TVORENIE KINEMATICKÝCH VÄZIEB Kinematické väzby je možné tvoriť len medzi súčiastkami, ktoré sú obsahom definovaného linku. Ak súčiastka nebola zahrnutá do linku nebude možné túto súčiastku označiť. Po vytvorení linkov bolo možné začať s vytváraním kinematického modelu. Pri vytváraní kinematického modelu boli použité 4 základné väzby. Z nich každá má určitý počet stupňov voľnosti. Aby bolo možné kinematický model simulovať musia byť všetky stupne voľnosti ubraté (musia byť zadané kinematické spojenia alebo definovaný pohyb). V tomto kinematickom modeli boli použité väzby: Fixed 0 stupňov voľnosti, Slider 1 stupeň voľnosti, Revolute 1 stupeň voľnosti, Spherical 3 stupne voľnosti. Každá väzba musí mať určené pôsobisko a smer. Najskôr bola použitá väzba Fixed pre vytvorenie stabilnej základne. Keďže je to prvá väzba nie je potrebné určovať k čomu sa vzťahuje. Ako pevná základňa bol použitý stojan. Väzba Slider sa používa ako kinematické spojenie dvoch súčiastok ktoré sa po sebe pohybujú v danom smere po priamke. Priamka môže byť určená buď stredom kružnice, hranou telesa alebo ľubovoľne v priestore. Pre použitie tohto nástroja bolo potrebné určiť type Slider v nástroji Join. Po zvolení typu kinematického spojenia je potrebné určiť teleso, ktoré má byť v tomto spojení, následne určiť bod, teda pôsobisko a smer (vektor). Potom bolo potrebné určiť druhé teleso, s ktorým je tvorený kinematické spojenie. Väzbu Slider je možné vidieť na Obr. 3. Obr. 3 Použitie väzby Slider Ďalšia bola použitá väzba Revolute. Táto väzba s jedným stupňom voľnosti sa používa pre vzájomný rotačný pohyb dvoch telies okolo danej osi. Po použití tohto nástroja sa budú telesá hýbať spoločne v priestore no vzájomne budú môcť byť pootočené. Po kliknutí na Join bol zvolený typ Revolute a určený prvý celok tohto kinematického spojenia. Bolo potrebné určiť pôsobisko a smer osi okolo ktorej je požadovaná rotácia. Následne bol určený celok s ktorým má byť kinematické spojenie vytvorené, ako je to zobrazené na Obr. 4. Obr. 4 Použitie väzby Revolute 65

5 Poslednou použitou väzbou bola väzba Spherical. Táto väzba umožňuje vzájomnú rotáciu telies okolo každej osi. Táto väzba má tri stupne voľnosti preto pri jej použití môžu vznikať problémy, pretože každý stupeň voľnosti musí byť zachytený. Po kliknutí na Join bol zvolený typ väzby Spherical a určené teleso, ktoré má používať túto väzbu. Bolo potrebné určiť bod v ktorom je pôsobisko, vektor a celok s ktorým má byť vytvorené kinematické spojenie. Použitie tejto väzby je zobrazené na Obr. 5. Obr. 5 Použitie väzby Spherical URČENIE POHYBU KINEMATICKÉHO MODELU Po vytvorení celého kinematického modelu ostalo niekoľko stupňov voľnosti ktorým bolo potrebné určiť pohyb patria k nim otáčky rotora, nastavenie kolektívu a nastavenie cykliky. Tieto pohyby sú určované priamo v kinematických spojeniach. Prvým nastavovaným pohybom bolo nastavenie otáčok rotora. Pre toto nastavenie bolo potrebné otvoriť kinematické spojenie pre hlavný hriadeľ a stojan. Po otvorení tohto spojenia bola prepnutá záložka na Driver. Keďže boli požadované konštantné otáčky počas celej simulácie v tabuľke Rotation bola nastavená hodnota Constant. Pre konštantnú rýchlosť bolo potrebné nastaviť Initiral Velocity na požadovanú hodnotu. Nastavenie otáčok rotora je zobrazené na Obr. 6. Obr. 6 Určenie otáčok rotora Pre určenie nastavenia kolektívu bolo použité kinematické spojenie hlavného kĺbu s hlavným hriadeľom. Keďže je požadované aby tento pohyb nepokračoval za určené hranice bolo nutné nastaviť cyklický pohyb. Teda v tabuľke pod Translation bola nastavená hodnota Harmonic. Pre jej funkciu bolo potrebné zadať amplitúdu teda maximálnu výšku a frekvenciu teda rýchlosť akou sa bude teleso pohybovať. 66

6 RIEŠENIE VZNIKNUTÝCH PROBLÉMOV Pri riešení simulácie kinematického modelu vznikol problém, ktorý program nevedel vyriešiť. Tento problém nastal z dôvodu použitia veľkého množstva kĺbových sférických spojení a teda bolo nemožné vypočítať priebeh simulácie. Z tohto dôvodu bolo nutné niektoré kĺbové spojenia na tiahlach nahradiť pomyselným kardanovým kĺbom. Vytvorený bol tak, že guľovému telesu kĺbu bol umožnená rotačný pohyb bo podložke a objímka s tiahlom nebola na tento kĺb prichytená nástrojom Spherical ale použitím nástroja Revolute a umožnením rotácie len v jednom smere. Takého kinematické spojenie bolo potrebné vytvoriť na jednej strane každého tiahla. ZÁVER Tento článok bol zameraný na softvér Siemens NX a jeho možnosti využitia v rôznych sférach práce s modelmi. Jeden zo zložitých problémov riešených vo virtuálnom prostredí je tvorba kinematiky daného systému. Kinematický model môže byť použitý pre vykonanie simulácie pohybu a po aplikácii materiálov na použité súčiastky aj analýzu silového zaťaženia, prenosov síl a momentov a zisťovanie vibrácii systému. Literatúra [1] KOVÁČ, M: Inovácie a technická tvorivosť. TU Košice, 2003, 166 s. Dostupné na: mat/inovacie.pdf. [2] KURIC, I KOŠTURIAK, J JANÁČ, A PETERKA, J- MARCINČIN, J: Počítačom podporované systémy v strojárstve. 1. Vyd. Žilina: ŽU, 2002, ISBN: [3] KURIC, I - DEBNÁR, R: Počítačom podporované systémy CA systémy. [online], Dostupné na internete: [4] KURIC,I VAREŠINSKÝ, Ľ:Computer aided process planning based on Group Technology. Učebné texty, ŽU SjF-KMA, Žilina, 1998 [5] HUŇADY, R HAGARA, M: Enhanced frequency response function technique as tool for mode separation in experimental modal analysis. In: Applied Mechanics and Materials : EAN Switzerland : TTP, 2016 Vol. 827 (2016), p ISBN [6] SMUTNÁ, M. DULINA, Ľ.: Advanced access to detailed workplaces design using the principles of ergonomics. In 5th International Ergonomics Conference - ERGONOMICS 2013, Croatian Ergonomics Society, Zagreb, Croatia. ISSN p [7] JANEKOVÁ, J - KOVÁČ, J - ONOFREJOVÁ, D: Application of Modelling and Simulation in the Selection of Production Lines. In Applied Mechanics and Materials : Applied Mechanics and Mechatronics 2. Vol. 816 (2015), p ISBN ISSN