Relazione pubblicata nei Proceedings of the 10th ADM Conference. “International Conference on DESIGN TOOLS AND METHODS IN INDUSTRIAL ENGINEERING” Florence, September 17-19, 1997, Italy Session: Integrated Design, Development, Production.; è stato pubblicato anche su "Il Progettista Industriale" n° 5 giugno 1998, Tecniche Nuove, Milano

 

Per un uso ottimale e corretto di un sistema CAD tridimensionale di fascia alta in ambito industriale  è fondamentale l’elaborazione di un appropriato metodo di lavoro, tarato sia sulle specifiche potenzialità del sistema CAD adottato sia sulle caratteristiche del particolare settore industriale in cui il sistema è inserito. Tale metodo si estrinseca in vere e proprie Regole di progettazione CAD, grazie alle quali il sistema CAD può implementare e standardizzare gli itinerari progettuali ed organizzativi di realizzazione del prodotto industriale. Il presente articolo è tratto da una relazione presentata dall’autore al 10° Convegno Internazionale ADM (Associazione Disegno di Macchine) tenutosi a Firenze nei giorni 17-19 settembre 1997.

 

 

Uno dei problemi fondamentali che in ambito industriale emerge dal primo impatto con un sistema CAD 3D di fascia alta è l’ottimizzazione del suo utilizzo, ovvero l’elaborazione di un appropriato metodo di lavoro, tarato sia sulle specifiche potenzialità del sistema sia sulle caratteristiche del prodotto di ditta. Tale metodo si estrinseca in vere e proprie Regole di Progettazione CAD, che per quanto detto non possono avere validità generale e quindi non possono essere fornite dal produttore del S/W CAD, bensì devono scaturire dalla stretta collaborazione degli esperti del prodotto di ditta e del sistema, ovvero dell’utente e del fornitore. Tali regole possono comprendere prescrizioni operative, soluzioni di specifici problemi CAD, procedure aziendali, consigli tecnici, flussi organizzativi del lavoro svolto con il CAD, l’uso di programmi integrati appositamente sviluppati, e possibilmente dovrebbero essere caratterizzate da una visione sistemica ed integrata dell’utilizzo del sistema in ottica di Concurrent Engineering. Grazie ad esse il sistema CAD può proficuamente implementare e standardizzare gli itinerari progettuali ed organizzativi di realizzazione del prodotto industriale.

La metodologia d’uso dei sistemi CAD, purtroppo, riceve ancora scarsa attenzione da parte degli utilizzatori, sia per mancanza di sensibilità e cultura su tali temi, sia per la fretta di utilizzare il sistema in maniera produttiva. In base alla personale duplice esperienza di utente e di fornitore, sono arrivato al convincimento che l’utilizzo di un sistema CAD non accompagnato da una adeguata metodologia è quasi paragonabile ad un sistema H/W privo di S/W, ovvero di intelligenza, e può condurre a livelli di prestazione così scadenti da generare sfiducia e rigetto nei confronti del sistema.

Nel presente articolo viene riportata una sommaria descrizione di uno dei primi esempi in Italia di Regole di Progettazione Meccanica con un sistema CAD 3D, il CATIA della Dassault Systemes- IBM. Esse vengono presentate aggiornate alla luce delle accresciute potenzialità dell’ultima versione di CATIA, la V4, e sono pertanto il naturale aggiornamento di precedenti versioni da me sviluppate già qualche anno addietro, (1990-’92, ‘94), per l’ELETTRONICA S.p.A. di Roma, azienda leader mondiale nel campo della progettazione e produzione di sistemi elettronici integrati di difesa, dove sono tutt’oggi utilizzate. L’analisi del flusso della progettazione meccanica seguito in ditta e la conoscenza delle peculiarità del prodotto, per molti aspetti paragonabile ad un impianto miniaturizzato, hanno consentito di risolvere particolari problemi  tecnici legati al sistema e di ricavare un approccio razionale alla progettazione con CATIA, dal punto di vista sia dell’organizzazione delle risorse umane sia della struttura di progetto in termini di oggetti CAD.

 

VALIDITÀ’ DELLE REGOLE DI PROGETTAZIONE CAD

La metodologia sviluppata enfatizza la capacità dei sistemi CAD di gestire non solo elementi geometrici, ma anche informazioni di vario tipo ad essi associate, ovvero  i dati progettuali nella loro completezza. La metodologia qui esposta, pur avendo piena validità nell’ambito della tipologia di prodotto e dell’organizzazione della ditta citata, può, con opportune varianti, essere applicata in campi similari e fornire spunti anche per settori industriali differenti.

La validità delle norme di progettazione CAD, infatti,  non è legata agli aspetti tecnici specifici, bensì allo spirito ed alla intenzione, sempre attuali, di razionalizzare l’uso del sistema in rapporto alla tipologia del prodotto ed alla organizzazione interna aziendale. Pertanto esse si modificano nel contenuto con il mutare del settore industriale e con l’evolversi del sistema stesso,  ma conservano sempre la loro ragion d’essere.

 

TIPOLOGIA DEL PRODOTTO

Dal punto di vista meccanico, la progettazione in ELETTRONICA S.p.A. si sviluppa nell’ambito della meccanica di precisione e del packaging elettromeccanico ad alto grado di riempimento. Il prodotto tipo è il sistema integrato di difesa elettronica, e presenta una tipica gerarchia ad albero, in quanto è costituito da apparati, ciascuno dei quali comprende una o più unità, a loro volta composte da assiemi, sottoassiemi  e parti basiche. L’unità è un’entità fisicamente indipendente che esplica una propria precisa funzione (per es. l’alimentatore, l’unità a radio frequenza ecc...) (fig. 1). La progettazione meccanica di regola inizia dall’unità, in quanto i livelli superiori, apparato e sistema, sono livelli logici e non hanno un corrispettivo meccanico.

 

FLUSSO DELLA PROGETTAZIONE MECCANICA IN “ELETTRONICA”.

In fig. 2 è riportato, molto sinteticamente, il flusso della progettazione meccanica di un apparato seguito in ELETTRONICA. Il sistemista, quale responsabile del progetto dell'intero sistema, compila ed emette le Specifiche di Sistema, di cui fa parte la Specifica Tecnica Meccanica riguardante la progettazione meccanica.In base ad essa , il progettista meccanico di sistema realizza con CATIA il Prestudio Meccanico, che contiene, per ciascuna unità,  la definizione delle interfacce meccaniche ed elettriche verso il mondo esterno (connettori elettrici, attacchi rapidi, organi di fissaggio meccanico, ecc..), nonchè la definizione del  “Master Layout”,  composto dall'outline dello chassis dell’unità e dalle dimensioni di ingombro e dalla disposizione delle parti allocate  all'interno di esso. La modellazione viene  sviluppata, in questa fase, servendosi dello sketch variazionale di CATIA, che consente di ottenere e modificare rapidamente forme e dimensioni, potendo variare qualunque tipo di vincolo precedentemente stabilito. Già in questa fase, in base ad una prima stesura della lista parti, è possibile stilare un elenco dei componenti  e delle parti standard e non da utilizzare nel progetto, e quindi fare un check di quelli già esistenti nelle librerie centrali CATIA. In tal modo è possibile segnalare al centro CAD Meccanico, prima dell'inizio dello studio progettuale dettagliato, gli standard nuovi da modellare ed inserire nelle librerie. L'obiettivo è quello di arrivare alla fase di progetto dettagliato con quasi tutti i modelli matematici delle parti e dei componenti standard già realizzati. In tal modo le librerie CATIA crescono e si aggiornano dinamicamente secondo necessità, e le ore per il loro sviluppo possono essere ripartite sulle varie commesse di progetto, senza richiedere una commessa dedicata. I modelli degli oggetti di libreria vengono controllati e validati dal CATIA Administrator, in maniera che siano rispettate la giusta ripartizione della loro geometria nei layers riservati, il corretto punto di applicazione, l’esistenza di eventuali clearances, l’esistenza del "kit" per i componenti elettronici, il giusto grado di dettaglio del modello, l’esistenza degli attributi con i valori delle proprietà di massa ecc.. Superata tale validazione, essi vengono caricati nelle librerie centrali o nelle librerie di progetto, secondo che si tratti di oggetti di utilizzo generale o di utilizzo specifico per il progetto in questione.

Al fine di ottimizzare l'intero processo di progettazione-produzione, il Prestudio Meccanico viene effettuato tenendo conto di aspetti fondamentali, quali costi, tempi e metodi (industrializzazione del prodotto), analisi termostrutturali e modularità, che  favorisce la realizzazione progressiva del prodotto, la sua manutenibilità ed un collaudo più razionale.

Completato il Prestudio Meccanico, inizia la fase di Progetto Dettagliato, secondo le Regole di Progettazione CAD.

Concluso questo, si passa alla fase di validazione, cui partecipano vari enti: Ufficio Standard, Resp. del centro CAD, Quality Assurance (Q.A), Progettazione Meccanica, Sviluppo Sistemi. Le eventuali varianti emerse in tale fase vengono proposte al capo team del progetto dettagliato, mentre in assenza di esse viene approvata la costruzione del prototipo fisico.

Quest’ultimo  viene sottoposto a prove di diverso tipo: elettriche, ambientali, meccaniche, termiche. I risultati delle prove vibrazionali possono talvolta condurre ad ulteriori indagini strutturali con il codice di calcolo agli elementi finiti ANSYS.  Dall’esito di tutte queste prove potrebbero scaturire richieste di varianti al progetto, che saranno inoltrate al capo team, ripercorrendo l’iter progettuale, mentre in caso contrario si passa alla fase di emissione definitiva della documentazione ed alla sua archiviazione nel data base tecnico di ditta ed infine alla produzione in serie.

 

ASPETTI ORGANIZZATIVI

Subito dopo il Prestudio Meccanico, e prima di iniziare il Progetto Dettagliato , è opportuno procedere alla creazione del team di progetto (fig. 3) ed all’analisi del progetto in termini di struttura delle entità CAD che lo compongono (fig. 4).

Creazione del team di progetto.

Lo sviluppo del progetto dettagliato viene assegnato ad un capo-team e ad un gruppo di utenti CATIA, che viene istituito in ambiente UNIX o VM  come User Group. Ad esso vengono assegnate specifiche risorse di sistema, cioè files Catia di diverso tipo (model, session, sheet, picture, library) ed un Project File che contiene gli standard di progetto in termini di pattern, attributi, classi, attività, tipo linea, materiali, tabella dei layers, ecc...  Tale gruppo, nel caso di progetti molto complessi, può essere strutturato gerarchicamente ad albero, in termini sia di risorse di sistema sia di utenti. In tal caso, al disotto dello User Group primario esisteranno uno o più sottogruppi di utenti di livello gerarchico inferiore. La differenziazione dei livelli riguarda i compiti assegnati e quindi l’accessibilità alle risorse del progetto.

Oltre a tali User Groups, la cui composizione varia da progetto a progetto e denominati Project User Groups (PUGs), esistono gruppi di utenti CATIA permanenti e non legati ad un particolare progetto. Questi, detti General User Groups (GUGs), sono tanti quante le aree aziendali che operano con il sistema CATIA fornendo servizi di validità generale. Tra essi  sono da menzionare in particolare i gruppi MecProg, MecProd, TestPub.Tutti hanno la caratteristica di utilizzare soltanto in lettura i modelli CATIA rilasciati dai vari  PUGs. MecProg è costituito dagli ingegneri analisti preposti alle analisi termo-strutturali con i programmi CAE basati sul metodo degli elementi finiti. MecProd comprende i tecnologi che effettuano la programmazione automatica delle lavorazioni meccaniche dei pezzi progettati con CATIA ed infine TestPub ha il compito di redigere i manuali tecnici degli apparati, estraendo dai modelli CATIA rilasciati dai vari PUGs le informazioni necessarie, tramite il modulo Test Publishing di CATIA, che consente di ottenere viste esplose, conversioni da formati vettoriali a raster, ecc.. Ciascuno di tali gruppi potrà archiviare i modelli CATIA da essi elaborati in files propri.

Analisi della struttura del progetto in termini di entità CAD.

Tale analisi viene condotta dal CATIA Administrator con i componenti del PUG e consiste nella definizione della struttura del progetto in termini di entità CAD di alto livello (modelli CATIA) e di basso livello (part models).

La complessità del prodotto non consente lo sviluppo del progetto in un unico modello, per vari motivi, quali il contenimento dell'occupazione di memoria del modello, un miglior controllo dello sviluppo del progetto, della sua modularità e della gestione delle varianti (Engineering Changes), la necessità di sviluppare  in parallelo sezioni diverse del progetto, per ridurre i tempi .

Le ragioni di cui sopra obbligano ad una scelta di progetto multimodello, cioè alla partizione del progetto su più modelli, resa possibile dalla capacità di assemblaggio di parti residenti in modelli CATIA differenti, fornita dalle tecniche di overlay [1] .

La struttura gerarchica intrinseca del prodotto ELETTRONICA (unità, assieme, sottoassieme, parte basica) viene rispecchiata nella seguente struttura gerarchica ad albero delle entità CAD CATIA:

·       Assembly Model

·       Sub-assembly Model

·       Part model

L'Assembly Model è il livello più alto di entità CAD CATIA e si può riferire all'unità, all'assieme o al sottoassieme, in quanto il suo ruolo non è assoluto, ma relativo nella scala gerarchica della struttura di progetto CAD. Esso è il modello che contiene il progetto dettagliato dello chassis, o di ciò che almeno funzionalmente è ad esso assimilabile in quanto elemento di contenimento e di supporto meccanico per altre parti, la definizione dettagliata degli organi di collegamento elettrici e meccanici dello chassis verso il mondo esterno,  nonché il Master Layout, cioè la definizione degli outlines e dei posizionamenti all'interno dello chassis degli oggetti di livello inferiore nella gerarchia del prodotto di ditta. Questi vengono modellati  nell’Assembly Model come mock-up  e  vengono ripartiti su appositi layer. L'Assembly Model root, afferente l’intera unità, viene sviluppato da un componente del PUG detto "Assembly Leader", a partire dal Prestudio Meccanico.

Gli oggetti (assiemi, sottoassiemi, ecc...) modellati come mock-up nell’Assembly Model vengono sviluppati in maniera dettagliata in altrettanti modelli CATIA detti Sub-assembly Models. Lo sviluppo di questi viene effettuato dai membri del PUG, detti “Sub-assembly Designers”, coordinati dall’Assembly Leader. Nel caso in cui lo sviluppo del progetto dettagliato di un Sub-assembly Model dovesse indurre varianti nel suo outline, queste devono essere notificate all'Assembly Model padre, nel quale viene verificato l'impatto della modifica proposta sull'ambiente circostante (check del master layout).

Le interazioni Assembly-Model/Sub-assembly Models possono ripetersi fino al raggiungimento della soluzione architetturale definitiva, e sono realizzabili tramite il Conciliator della V4 di CATIA, che è un tipico strumento di Concurrent Engineering (fig.5) [2] .

La definizione della struttura del progetto in termini di entità CAD a livello di Assembly-Model e Sub-assembly Models viene formalizzata in un modello CATIA, denominato "Piramide CAD del progetto <nome del progetto>", sotto forma di diagramma a blocchi (fig. 6), da cui risultano ben evidenti per ciascun modello la sua gerarchia, il nome del modello stesso , il nome del file ove è memorizzato, il nome del disegnatore, l’unità di appartenenza, ecc..... Tutte queste informazioni sono inserite sotto forma di attributi e pertanto sono estraibili tramite un reporter appositamente creato (fig. 7). Nel diagramma a blocchi, per semplicità di rappresentazione, vengono visualizzate tramite text nodes soltanto le informazioni fondamentali, mentre tutte vengono estratte dal reporter.

 

PROGETTO  DETTAGLIATO

Particolare enfasi deve essere data alla creazione dei Part Models tramite solidi CSG. Infatti per le parti realizzate con tale schema di rappresentazione possono essere sfruttate più ampie possibilità di modifica. La rappresentazione interna del solido CSG è un albero binario (fig. 8), in cui le foglie sono le primitive del solido ed i nodi sono le operazioni booleane a queste applicate (unione, intersezione, sottrazione, split) cui, nell’ultima versione V4 di CATIA, sono state aggiunte quelle di raggiatura, di spogliatura di superfici o facce, di smussatura,  di applicazione di sovraspessori a singole facce del solido, di svuotamento ed infine di relimitazione del solido su superfici con eventuale asporto od apporto di materiale (sewing). E’ da notare esplicitamente che nello schema di rappresentazione CSG di CATIA V4 le primitive possono essere sia solidi sia superfici, utilizzate per esempio per lo split del solido o per le citate operazioni di sewing [3] .

In tale albero risulta dunque memorizzata tutta la storia di costruzione del solido, facilmente comprensibile e modificabile anche da un operatore diverso da chi lo ha creato. In tal caso, è sufficiente posizionarsi sulla “primitiva” del solido CSG ove si deve effettuare la modifica: tutte le operazioni definite nell’albero vengono quindi riconsiderate alla luce della modifica locale realizzata. La struttura ad albero del solido CSG è  dunque una struttura autodocumentante.

I solidi CSG devono essere realizzati nella maniera più semplice, evitando operazioni booleane superflue. A tale scopo si dovrà, per quanto possibile, evitare di costruire il solido per tentativi ed avere ben chiaro fin dall'inizio il modo con cui costruirlo. A tale scopo può essere molto proficuo, quando possibile, definire le specifiche di costruzione del solido, prima di iniziarne la realizzazione.

Si tenga presente che un solido CSG con molte foglie e nodi è meno facilmente gestibile in fase di modifica, in quanto l’aggiornamento della sua geometria viene effettuato ripercorrendo l'intero albero. Di conseguenza, se quest'ultimo è molto complesso, i tempi di up-date del solido possono diventare piuttosto lunghi [4] .

Nel caso in cui non si possa evitare una eccessiva complessità dell'albero, può risultare utile la seguente tecnica, applicabile sia in corso d'opera sia a posteriori, la quale si fonda sul presupposto di potere distinguere nell'oggetto rappresentato parti modificabili e non. Le parti non modificabili possono essere "congelate" eliminando dall’albero la storia del ramo corrispondente, mentre per le parti modificabili se ne  mantiene la storia. Tale tecnica, oltre ad avere un significato “economico” nell’ottica dell’aumento delle prestazioni del sistema, ha anche un significato progettuale in quanto consente di implementare il concetto di modellazione geometrica guidata dalle specifiche.

Nel rilascio 4.1.8 di CATIA è inoltre stata introdotta la tecnica dei link fra modelli, per cui è possibile rappresentare in modelli diversi le singole componenti di un solido CSG, mentre in un modello dedicato si effettuano tutte le operazioni, in altri termini si definisce l’albero CSG. Con tale metodologia si possono realizzare notevoli risparmi di memoria, anche fino a 2/3 rispetto al caso dello stesso solido CSG contenuto in un modello unico. I modelli contenenti le singole componenti (foglie) del solido CSG mantengono il link al modello contenente la definizione dell’albero, per cui la modifica di uno di essi viene rilevata in quest’ultimo e può essere aggiornata nell’albero.

La possibilità di riordinare la sequenza delle operazioni applicate alle primitive del solido CSG, e di inserire in un punto scelto dell’albero nuove primitive o anche altri solidi CSG secondo una delle operazioni booleane, permette di gestire molto facilmente sia le specifiche di costruzione, sia le varianti.

Lo sviluppo del progetto dettagliato viene effettuato utilizzando la geometria parametrica. La parametrizzazione delle singole parti deve rispecchiare la struttura dati-assunti del progetto, ovvero devono essere parametrizzate tutte le dimensioni corrispondenti ai dati del progetto (non modificabili) ed alle possibili scelte del progettista (assunti), applicando fra tali grandezze le relazioni dimensionali e di forma che esprimono i vincoli progettuali.

 

STANDARD

La standardizzazione di progetto non deve essere intesa come una limitazione dell'attività del progettista, bensì come criterio di unificazione di metodi e strumenti tale da facilitare il lavoro di gruppo, da garantire l'integrità e la correttezza dei dati progettuali, da facilitarne la comprensione ed in generale la gestione (ricerca e trasmissione dei dati verso altri gruppi o ditte esterne). Gli standards di progetto vengono  stabiliti e memorizzati nel Project File, nelle librerie CATIA e nel modello di start denominato Start-up Model.

Project File

Gli standards memorizzati nel Project File si distinguono in entità referenziate dai singoli modelli CATIA (attributi, patterns, materiali, tipi di linee) ed  entità referenziate da tutti i modelli dello stesso sito CATIA (layers riservati, attività, classi, formati e scale di plottaggio, ammissibilità e compatibilità degli "end types" per gli elementi "connectors" di tipo piping). Per realtà industriali di medie dimensioni in genere è sufficiente un unico Project File, valido per tutti i progetti. Per realtà più complesse si possono definire diversi Project Files, se emergono esigenze diverse di standardizzazione, secondo il progetto o l’area di progettazione.

Librerie CATIA

Le librerie CATIA centrali contengono oggetti di uso generale ed utilizzabili quindi da tutti i PUGs, mentre le librerie di progetto contengono oggetti di utilizzo specifico nell'ambito del progetto cui si riferiscono e sono quindi accessibili soltanto da parte degli utenti del gruppo ad esso dedicato.

Esistono 12 librerie centrali ottenute assumendo come criterio di creazione i tre attributi Standard, Non Standard, Obsoleti e i 4 tipi di oggetti Componenti meccanici d'acquisto, Componenti meccanici a disegno, Componenti elettromeccanici, Assiemi a disegno. Le librerie di oggetti standard contengono gli oggetti dichiarati di uso preferenziale dall'Ufficio  Standard e sono pertanto accessibili da parte di tutti i PUGs. Le librerie di oggetti non standard contengono invece gli oggetti di uso non preferenziale, il cui utilizzo nei progetti deve essere autorizzato di volta in volta dal capo progetto. Le  librerie di oggetti obsoleti fungono da "archivio morto", in quanto contengono oggetti da non utilizzare nei nuovi progetti, ma che conviene conservare. Il loro uso dunque è normalmente inibito ai progettisti.

Start-up Model

Tutte le volte che si deve iniziare a sviluppare un nuovo lavoro, anziché creare un  nuovo modello, si utilizza il modello Start-up Model che è un modello "vuoto", cioè privo di dati progettuali  specifici, ma contenente tutte le predefinizioni utili nell’ambito delle regole CAD. Esse sono, per esempio,  gli standards di quotatura, gli standards grafici dei testi e degli elementi CATIA (linee, facce, solidi, ecc...),  i filtri di categoria (vedi oltre),  il dettaglio draw "ITEM TAB REV" , rappresentante la generica riga della tabella delle revisioni. Questa contiene le informazioni relative ai successivi stati di revisione del disegno, che vengono inserite sotto forma di valori di attributi corrispondenti ai vari campi della tabella, risultando pertanto estraibili successivamente tramite un opportuno reporter. La tabella può essere estesa a volontà aggiungendo righe successive, applicate come ditti [5] del dettaglio corrispondente. Il modello contiene anche predefiniti un certo numero di draft [6] , in ognuno dei quali si può allestire una tavola di disegno. Per ciascun formato ISO è disponibile, come dettaglio CATIA,  l’outline dell’area utile per il disegno (fig. 9), cioè il formato al netto delle zone utilizzate per il cartiglio di ditta e del bordo riservato alle coordinate delle modifiche. Esso può essere applicato come ditto sulle singole tavole (drafts), nell’origine del sistema di riferimento assoluto *AXS1. A tali ditti sono già associati, come attributi, i testi variabili del cartiglio, cosicché le informazioni anagrafiche delle singole tavole di disegno possono essere inserite editando i valori di detti attributi. La ragione di utilizzare l’outline, e non l’intero formato provvisto di cartiglio, sta nel fatto che in un modello CATIA solitamente sono presenti numerose tavole di disegno. Pertanto è conveniente rappresentare il formato, con i testi fissi, in un modello dedicato, che è uno standard, e referenziarlo in fase di allestimento dello sheet di plottaggio. In tal modo il modello CATIA non si carica inutilmente di grafica e testi, come avverrebbe se i formati fossero applicati sui vari draft del modello stesso.  La view contenente l’outline utile del formato ISO presente in ciascun draft risulta già duplicata in forma correlata in un draft detto “Report Draft”. Con tale tecnica si realizza facilmente una “echo software” che consente di riportare in unico draft le informazioni anagrafiche delle varie tavole di disegno contenute nei corrispondenti draft, rendendole così estraibili con un unico reporter. Infatti i reporters processano gli elementi di un draft per volta.

Layers riservati e filtri standard.

I layers sono livelli di visualizzazione degli elementi grafici. In CATIA i layers messi a disposizione dal sistema sono 255 e tutti già creati. Spesso gli operatori CAD utilizzano il concetto di layer per processare collettivamente più elementi geometrici. CATIA possiede da sempre altri strumenti specifici in tal senso (set, gruppo, draft, detail workspace) indipendenti dal concetto di layer. Pertanto è più conveniente confinare l’utilizzo di questo alla sua funzione caratteristica e specifica di visualizzazione contemporanea di tutti gli elementi geometrici, sia 3D sia 2D, appartenenti ad uno stesso layer. La definizione di uno o più layers visibili contemporaneamente costituisce un filtro di layers.

La standardizzazione dei layers  consiste nel dedicare parte di essi a specifiche categorie di oggetti funzionalmente omogenei (interfacce meccaniche, interfacce elettriche, schede, sistema di raffreddamento, cablaggi,  ecc.). Il CATIA Administrator assegna a questi degli identificatori mnemonici che ne indicano l'impiego e può impostare il sistema in modo da fare utilizzare ai progettisti soltanto tali layers. Anziché impiegare un solo layer per ogni categoria di oggetti, è preferibile dedicare a ciascuna più layers, raggruppati in classi, e ripartire su di essi gli oggetti della categoria. In tal modo sarà possibile visualizzare sia un oggetto per volta, tramite il filtro “current”, sia tutti gli oggetti di una categoria, per mezzo di filtri standard (filtri di categoria) che visualizzano tutti i layers dedicati ad essa . Questi filtri, pertanto, possono essere creati una volta per tutte nello Start-up Model. Per esempio il filtro “cooling” rende visibili contemporaneamente tutti i layers dedicati al sistema di raffreddamento. Il criterio generale di ripartizione sui layers della stessa categoria (per esempio i layers 1-60 dedicati alle Interfacce Meccaniche) è di mettere in layer distinti le parti di cui è necessario avere singoli disegni costruttivi. Con tale criterio si possono facilmente ottenere sia i disegni costruttivi delle singole parti sia i complessivi, a partire dalla rappresentazione 3D tramite  opportuni  filtri di layers (filtri di disegno). Questi visualizzano i layers contenenti le parti interessate più i layers contenenti l’outline dell’area utile per il disegno, le quote e i testi del disegno. La standardizzazione dei layers ha dunque una duplice funzionalità: favorire la “lettura” di modelli complessi secondo regole comuni, e facilitare la messa in tavola automatica a partire dalla rappresentazione 3D.

Identificatori.

Gli identificatori delle varie entità geometriche e non (solidi, draft, sheet, ecc...) automaticamente creati da CATIA vengono cambiati dal progettista secondo specifiche regole standard di ditta.

In particolare i  filtri di  disegno, i draft e gli sheet corrispondenti ad una tavola di disegno  devono avere lo stesso identificatore ( codice ELT ).

 

DISEGNI COSTRUTTIVI E COMPLESSIVI

La procedura normale per ottenere i disegni viene compiuta all’interno dello stesso modello contenente la geometria 3D, ricavando automaticamente da questa, come trasparenze spaziali [7] o come elementi draw, le viste e sezioni, utilizzando per ciascuna tavola di disegno un draft ad essa dedicato. Il risultato finale sarà un modello contenente la geometria 3D, ripartita nei layers secondo le regole suesposte, e tanti draft quante sono le tavole di disegno ottenute (fig. 10).

I disegni costruttivi vengono ottenuti nell’Assembly Model e nei Sub-assembly Models applicando il filtro di disegno corrispondente sul draft dedicato alla tavola di disegno da allestire, mentre i disegni complessivi vengono ottenuti nell’Assembly Model applicando il filtro “Master Layout” che visualizza i layers dedicati al Master Layout ed i layers dedicati all’outline dell’area utile del formato ISO, alle quote ed ai testi.

 

PROCEDURA AVANZATA DI DISEGNO

La procedura di messa in tavola descritta al numero precedente, che potremmo battezzare come “procedura base di disegno”, nel caso di modelli 3D complessi con molte tavole di disegno può generare modelli molto “pesanti” in termini di occupazione di memoria e quindi ridurre le performance del sistema anche drammaticamente, se non si dispone di molta RAM.

Per ovviare a ciò, può essere seguita un’altra procedura di messa in tavola, che chiameremo “procedura avanzata di disegno” (fig. 11).  Essa è applicabile sia ai disegni costruttivi sia ai disegni complessivi, fermo restando che la regola fondamentale per ottenere questi ultimi è quella precedentemente esposta, che utilizza il Master Layout.

Essa consiste nel separare la geometria 3D dai corrispondenti disegni, dedicando uno o più modelli di tipo space-only alla rappresentazione 3D e un modello di tipo draw-only a ciascun disegno.

Un disegno viene ottenuto richiamando in overlay nel modello CATIA draw-only ad esso dedicato i modelli CATIA space-only contenenti la rappresentazione 3D delle parti interessate, e nel ricavare da essi, tramite trasparenza spaziale od estrazione di elementi draw,  le viste e sezioni, quotarle e definire uno sheet con una window che comprende l’intera tavola di disegno.Tale struttura overlay viene quindi memorizzata in una sessione. In tal modo, il modello draw-only, una volta memorizzato, contiene soltanto il disegno  degli oggetti 3D rappresentati nei modelli space-only ed i link a questi ultimi [8] . Tale metodo presenta i seguenti vantaggi:

·       per i disegni complessivi, una variante ad uno dei modelli space-only viene riportata automaticamente sia nel disegno costruttivo sia nel complessivo, grazie ai link mantenuti dalla  struttura overlay di modelli space-only e draw-only;

·       riduzione dell'occupazione di memoria dei modelli CATIA, dovuta alla separazione della rappresentazione 3D da quella 2D, con conseguente possibilità di contenere in un modello CATIA geometrie più complesse.

 

INFORMAZIONI DI PROGETTO

CATIA dà la possibilità di assegnare variabili, dette "attributi",  sia a  singoli elementi geometrici  sia ad entità complesse (detail workspace, set, ecc..) di un modello. Gli attributi via via definiti vengono   memorizzati in una tabella del Project File, e possono essere di tipo alfanumerico, discreto, numerico e binario.

La funzione REPORTER di CATIA consente di creare, semplicemente compilando delle opportune maschere, ed eseguire un reporter, ovvero un  programma di estrazione delle informazioni associate ai singoli elementi geometrici o alle entità complesse di un modello, eleborandole secondo semplici criteri selezionati dall'utente (somma, valore massimo , conteggio, ecc..). Tali informazioni sono dette genericamente "proprietà" e possono essere, oltre che attributi, anche gli identificatori degli elementi geometrici oppure i risultati di programmi esterni. Esse vengono presentate in un report sotto forma di una tabella strutturata in varie sottotabelle di livelli gerarchici differenti (fino a 10 ). Tali reports possono essere sia memorizzati in files sia visualizzati  sulla tavola di disegno per mezzo di punti di visualizzazione detti “text nodes”. L’utilizzo di questi strumenti, opportunamente studiato in relazione alle specifiche esigenze e procedure aziendali, consente di affiancare alla geometria pura e semplice anche la gestione del dato progettuale in senso più lato e tutto ciò “gratis”, cioè usufruendo di tools compresi nel modulo base.

L’utilizzo esteso degli “attributi” in  “ELETTRONICA” ha reso possibile estrarre con vari reporters, appositamente sviluppati, informazioni di vario tipo, come per esempio la struttura di progetto rappresentata nel modello “Piramide CAD..." già citato, le informazioni anagrafiche delle varie tavole di disegno di un progetto (fig. 12), i successivi stati di revisione dei disegni (13), le liste parti, i valori delle proprietà geometriche e di massa (figg. 14,15) calcolati con il package “ANAMEC” appositamente sviluppato, la postura (posizione ed orientamento) dei diversi componenti o parti applicati come ditti, ecc....

 

PROGRAMMI DI UTILITA’

Utilizzando le capacità di programmazione batch ed interattiva interne, è possibile sviluppare facilmente applicazioni personalizzate completamente integrate con CATIA. Tali capacità sono rese possibili dall’utilizzo da parte dell’utente delle stesse routines matematiche e di accesso al database geometrico usate da CATIA, con l’aggiunta di  programmi scritti dall’utente in Fortran, C o nel linguaggio procedurale IUA di CATIA.

In “ELETTRONICA”, con tali tools,  sono stati sviluppati diversi programmi di utilità. Uno di questi, per esempio, consente di ottenere molto rapidamente, in una sessione CATIA,  la quotatura per coordinate di insiemi di punti spaziali o draw in un unico run, presentando le coordinate in forma tabellare. Un altro consente di ottenere gli “esplosi” di un assieme realizzato in 3D. [9]

Una applicazione, costituita da vari programmi interattivi e batch, è stata sviluppata per estendere e migliorare le capacità di calcolo delle proprietà geometriche e di massa (volume, massa, superficie laterale, centro di gravità, momenti di inerzia, assi principali di inerzia), fornite da CATIA, rendendo fra l’altro possibile il calcolo di dette proprietà per un sistema di corpi ripartiti in diversi modelli CATIA, l’annotazione automatica dei risultati sotto forma di attributi all’interno dei singoli  modelli e la loro estrazione tramite opportuni reporters. Tale applicazione è particolarmente utile in ambienti come quello del packaging elettromeccanico ad alto grado di riempimento e quello avionico, in cui il progetto è ripartito su molti modelli CATIA e pertanto sarebbe lungo e laborioso il calcolo globale delle proprietà geometriche e di massa.

Il package ANAMEC è costituito da programmi di:

·       preprocessing, che aiutano l’utente a preparare l’input necessario per il successivo calcolo, nonché ad effettuare una diagnosi a priori della correttezza dell’input in tutti i modelli da processare;

·       processing, che effettuano il calcolo delle proprietà geometriche e di massa (g&m) delle singole parti e dei vari sistemi di parti corrispondenti alle gerarchie unità, assieme e sottoassieme tipiche del prodotto di ditta;

·       postprocessing, che presentano i risultati del calcolo sotto forma di tabelle disponibili sia all’interno dei singoli modelli processati sia su file sequenziale, con possibilità di ottenere i valori minimo, massimo, medio, totale delle varie proprietà, nonché di evidenziare le parti “critiche” rispetto a proprietà particolari, come i momenti di inerzia .

Le caratteristiche inerziali delle singole parti sono state calcolate come componenti del tensore di inerzia:

                                           I_ik = a_ik  / _v a_rs x^r x^sr dv -  / _v x_ix_krdv                                                       (1)

relativo al baricentro, essendo:

·       xⁱ (i=1,2,3) le componenti del vettore posizione P-G (P=generico punto della parte, G=baricentro della parte);

·       a_ik (i,k =1,2,3) il tensore fondamentale od operatore di sostituzione di Kronecker (a_ik= 0  se i¹k,   a_ik =1 se i=k).

·       r     la densità locale.

Tale tensore è del secondo ordine e simmetrico. Le sue componenti, in un riferimento cartesiano ortogonale, sono i momenti d’inerzia rispetto agli assi coordinati e i prodotti d’inerzia rispetto alle coppie di piani coordinati. La trattazione tensoriale consente di applicare le ben note relazioni relative alle trasformazioni di coordinate, facilitando il calcolo dei momenti e dei prodotti d’inerzia nei vari casi.

Il valore di densità necessario per i calcoli relativi ai singoli part models viene letto automaticamente nell'attributo DENSITÀ associato al set geometrico contenente tutti i part models del medesimo materiale. Ciò comporta la necessità di creare un set geometrico per ogni materiale ed inserirvi tutte le parti composte dal corrispondente materiale.

Il programma ANAMEC, facendo uso di particolari flag gestiti a livello di attributo, permette inoltre di inibire completamente al calcolo singole parti, oppure, per parti di cui sono presunte già note le proprietà g&m, di non calcolarle ma di considerarle nel computo globale del sistema di cui fanno parte, “leggendone” le proprietà negli attributi ad esse associati. Tale possibilità consente in definitiva di distinguere “part models di proprietà di CATIA”, di cui CATIA possiede la geometria,  e “part models non di proprietà di CATIA”, ed è molto utile in quanto:

·       consente di portare in conto nel calcolo delle proprietà g&m di un sistema di corpi elementi provenienti da altri CAD (per es. le schede, provenienti dal CAD elettrico) e rappresentati in CATIA in forma semplificata di mockup, con annotate sotto forma di attributi le relative proprietà g&m già note o calcolate per altra via;

·       consente di rappresentare in forma dettagliata in un modello CATIA un oggetto e di calcolarne le relative proprietà con ANAMEC, e quindi di utilizzare il medesimo in forma semplificata di mock-up in altri modelli, annotando sotto forma di attributi tale parte con le relative proprietà così calcolate.

 

CONCLUSIONE

Le regole di progettazione consentono senz’altro di razionalizzare l’uso del sistema CAD adottato in ditta. Esse, tuttavia, da sole non costituiscono la “panacea”  per la progettazione, bensì devono essere sostenute dall’impegno e dalla collaborazione di tutte le figure professionali coinvolte direttamente o indirettamente nell’uso del CAD. Mi corre l’obbligo di rivolgere , a conclusione di queste note, un pensiero particolare agli operatori CAD, vale a dire a questa nuova categoria di tecnici cui è affidato, in ultima analisi, il successo o l’insuccesso dell’uso del CAD.  L’esperienza dimostra che tali figure professionali, pur nella loro rivoluzionata fisionomia, si confermano ancora le vere artefici della progettazione, perché le innovazioni tecnologiche, per quanto sofisticate ed avanzate, non possono e non potranno mai sostituire l’uomo nella sua fantasia , nel suo spirito di iniziativa, nella sua creatività e rimangono un aiuto e nulla più.

 

BIBLIOGRAFIA

 

FIGURE

Fig. 1 - Esempio di unità ELT

Fig. 2- Flusso della progettazione meccanica in ELT

Fig. 3- Team di progetto

Fig. 4 - Struttura CAD di progetto

Fig. 5 - Check del Master Layout

Fig. 6- Piramide di progetto: diagrammi a blocchi

Fig. 7 - Piramide di progetto: report generato dalla funzione REPORTER

Fig. 8 - Albero CSG

Fig. 9 - Outline area utile per il disegno

Fig.10 - Procedura base di disegno

Fig.11- Procedura avanzata di disegno

Fig.12 - Anagrafica disegni: report generato dalla funzione REPORTER

Fig.13 - Anagrafica revisioni: report generato dalla funzione REPORTER

Fig.14 - Proprietà geometriche e di massa di un sistema di parti di un modello CATIA (1^a parte)

Fig.15 - Proprietà geometriche e di massa di un sistema di parti di un modello CATIA (2^a parte)