Dalla modellazione parametrica di prodotto alla progettazione knowledge-based

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1 Knowledge Aided Engineering Manufacturing and Related Technologies Dalla modellazione parametrica di prodotto alla progettazione knowledge-based Prof. Giorgio Colombo Dipartimento di Meccanica Politecnico di Milano PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 1... in questa lezione applicazioni intelligenti in grado di emulare attività di un esperto umano nel settore specifico della progettazione industriale cioè come acquisire e rappresentare in un applicazione a calcolatore la conoscenza utilizzata in specifici processi ed attività sottoproblema di come realizzare delle macchine che pensano, in grado di replicare le attivià cognitive dell uomo PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 2

2 ... in questa lezione (2) introduzione le origini applicazioni basate su modelli parametrici sistemi KBE PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 3 introduzione macchine che pensano : dominio dell Intelligenza Artificiale è possibile realizzare delle macchine che pensano? si no non si sa è ragionevole ritenere che macchine opportunamente programmate siano in grado di eseguire molte delle attività tipiche della progettazione Design Automation: metodi, strumenti & applicazioni mirati all automatizzazione di attività/processi della progettazione PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 4

3 Introduzione (2) dato, informazione, conoscenza dato simbolo che rappresenta qualcosa (es. 120) informazione dato che assume un significato in un contesto specifico (120 pulsazioni al secondo) conoscenza Informazione interpretata (se a riposo: tachicardia) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 5 Introduzione (3) la conoscenza è prodotta da scoperte processi di deduzione processi di induzione processi di riduzione/adduzione processi di innoduzione. La teoria della progettazione si occupa di conoscenza e progettazione la progettazione è un attività altamente knowledge based PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 6

4 Introduzione (4) Quali sono le attività più knowledge based? PROCESSO DI SVILUPPO PRODOTTO Requisiti Documentazione di progetto Validazione di progetto Analisi ed ottimizzazione Progettazione Concezione CAM Pianificazione della produzione Produzione Controllo di qualita Pianificazione del processo Progettazione e realizzazione di attrezzature Packaging Programmaz. NC,CNC PROCESSO DI PRODUZIONE PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 7 Introduzione (5) le attività più basate sulla conoscenza ( knowledge based ) sono quelle dove maggiore è l importanza della creatività (per es. conceptual design) le attività più facilmente automatizzabili sono quelle dove sono definite procedure ben formalizzate Il Design Automation è focalizzato sulla Progettazione di Dettaglio PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 8

5 Introduzione (6) una classificazione della conoscenza utilizzata nei processi di progettazione PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 9 Le origini anni 50: applicazioni con linguaggi di programmazione per automatizzare specifici aspetti conoscenza rappresentabile come algoritmo (prevalentemente problemi di analisi) input-output alfanumerico assenza di grafica esempi di campi applicativi: analisi e sintesi di meccanismi/calcolo strutturale J. Denavit, R.S. Hartenberg, A Kinematic Notation for Lower- Pair Mechanisms Based on Matrices, Mechanism and Machine Theory, vol. 21, n. 1, pp , PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 10

6 Le origini (2) anni 60: inizia la grafica a calcolatore I. Sutherland, Sketchpad: a Man-Machine Graphical Commmunication System, Proceedings of the SJCC 23, pp , un aspetto peculiare della progettazione : l importanza della grafica PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 11 Le origini (3) i sistemi CAD di drafting dispongono di un linguaggio di programmazione per sviluppare moduli e applicazioni applicazioni di questo tipo sono ancora attuali J.C. Choi, C. Kim, A Compact and Practical CAD/CAM System for the Blanking or Piercing of Irregular Shaped-sheet Metal Products for Progressive Working, J. of Materials Processing Technology, n. 110, pp , focus: applicazione di calcolo/dimensionamento PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 12

7 applicazioni con modelli parametrici anni 80: sistemi di drafting (modellazione) parametrici modelli relazionali (di tipo grafo) o analitici del disegno, con relazioni topologiche tra le entità geometriche modificabilità gestita mediante parametri (valori numerici associati a relazioni topologiche PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 13 applicazioni con modelli parametrici (2) GIPS-Graphic Interactive Parametric System (fine anni 80) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 14

8 applicazioni con modelli parametrici parametrizzazione di parti e di assiemi rappresentazione dei criteri e delle regole di progetto limiti della parametrizzazione PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 15 parametrizzazione di una parte esempio: vite parametrizzazione geometrica rappresentazione di conoscenza implicita ed esplicita PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 16

9 parametrizzazione di una parte (2) tipo e quantità di parametri devono essere coerenti con la modificabilità che si intende ottenere cioè la modifica dei valori dei parametri deve dar luogo a modelli consistenti la parametrizzazione di una parte è un attività complessa e va preventivata e programmata l attività di testing è fondamentale per mettere a punto il modello PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 17 parametrizzazione di una parte (3) il modello parametrico rappresenta una famiglia di parti è possibile creare una libreria di parti che condividono un unico modello geometrico ed istanziare un componente qualsiasi specificando un set minimo di valori per i parametri essenziali è possibile rappresentare un criterio di verifica/dimensionamento per il componente eventuale dichiarazione di parametri non geometrici e direttamente associati al modello geometrico PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 18

10 parametrizzazione di una parte (3) criterio di dimensionamento/verifica di una vite Fv 4 F σ max = = A π d v σ max σ amm σ amm Rs = η v 2 F v = forza di trazione d = diametro gambo R s = sforzo di snervamento η = coeff. sicurezza PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 19 parametrizzazione di una parte (4) Nell esempio si hanno due differenti livelli per quanto riguarda la conoscenza rappresentata 1 livello conoscenza implicita formalizzata nella geometria (testa e gambo coassiali, raccordo, smusso, ) conoscenza esplicitata in relazioni tra parametri e nella procedura di verifica PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 20

11 parametrizzazione di una parte (5) i più comuni e diffusi programmi CAD (di tipo featurebased) permettono la definizione di modelli parametrici e la rappresentazione di procedure di dimensionamento/verifica/scelta diversi programmi CAD permettono di interfacciare strumenti di calcolo (per es. spreadsheet) e di programmazione esterni PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 21 modelli parametrici d assieme la maggior parte dei prodotti sono composti da numerose parti assieme: sistema strutturato costituito dall aggregazione di parti, elementari o strutturate (sotto-assiemi) la modellazione d assieme comprende i modelli, le tecniche e gli strumenti per realizzare modelli digitali di assiemi di parti PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 22

12 modelli d assieme/struttura un assieme ha una struttura (architettura) gerarchica ad albero PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 23 modelli d assieme/struttura (2) il problema delle parti ricorrenti (bulloneria, parti standardizzate e/o normalizzate, ) necessità di costituire archivi di parti di uso comune e ricorrente ai quali accedere (anche via rete) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 24

13 modelli d assieme/strategie di modellazione bottom-up modelli delle parti aggregazione modello d assieme (l intera geometria delle parti è definita a priori) top-down le parti vengono definite direttamente nella fase di realizzazione dell assieme (la geometria finale viene definita dopo che si è realizzato completamente o parzialmente l assieme) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 25 modelli d assieme/vincoli l assemblaggio di due parti avviene specificando il posizionamento e l orientamento reciproco posizione ed orientamento reciproco vengono specificati da vincoli tra elementi geometrici contatto (tra superfici piane anche con offset) allineamento (tra piani anche con offset) coassialità (tra assi di elementi cilindrici o assialsimmetrici) tangenza angolo tra piani PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 26

14 modelli d assieme/vincoli: esempio (1) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 27 modelli d assieme/vincoli: esempio (2) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 28

15 modelli d assieme/vincoli: esempio (3) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 29 modelli d assieme parametrici due categorie di parametri geometrici derivanti dalla parametrizzazione delle singole parti dovuti ai vincoli per il posizionamento e l orientamento delle parti (per es. offset) il problema della gestione dei parametri comuni a diverse parti PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 30

16 parametrizzazione di assiemi parametri dell assieme parametri delle parti PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 31 parametrizzazione di assiemi con foglio elett. parametri dell assieme parametri delle parti PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 32

17 parametrizzazione di assiemi con foglio elett. (2) strategia di parametrizzazione le variabili geometriche vengono gestite localmente alle parti le variabili geometriche comuni a diverse parti possono essere correlate a livello di modello d assieme le variabili funzionali (non geometriche, per es. le caratteristiche del materiale) possono essere definite nel foglio elettronico le procedure di dimensionamento vengono definite nel foglio elettronico (utilizzando le funzioni di programmazione del foglio) con il foglio elettronico è possibile gestire facilmente librerie di parti e famiglie di componenti con il foglio elettronico è possibile automatizzare il processo di progettazione di componenti e sistemi PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 33 parametrizzazione di assiemi con foglio elett. (3) le applicazioni con modelli d assieme parametrici e foglio elettronico sono lo strumento di Design Automation più diffondibile e utilizzabile nelle PMI sono accessibili anche altri strumenti (linguaggi di programmazione, data-base, strumenti di calcolo, ) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 34

18 esempi: rapp. criteri e regole di progetto dimensionamento di un serbatoio (primi 90 GIPS) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 35 esempi: rapp. criteri e regole di progetto (2) dimens. di un serbatoio (2002) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 36

19 esempi: rapp. criteri e regole di progetto (3) verifica a rottura ed a usura di ruote dentate PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 37 esempi: rapp. criteri e regole di progetto (4) configurazione di una macchina utensile L exe PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 38

20 limiti dell approccio parametrico con la parametrizzazione si derivano modelli da un modello master che rappresenta tutta la famiglia difficoltà a gestire prodotti complessi difficoltà/impossibilità di variare/sostituire componenti es. cuscinetto a rulli invece che a sfere impossibilità di rappresentare in modo indipendente prodotto e processo di progettazione (cosa-come) prevalenza del modello geometrico PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 39 limiti dell approccio parametrico (2) difficoltà nella produzione di disegni 2D, soprattutto per sottoassiemi e gruppi di parti difficoltà nella gestione di BOM PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 40

21 KBE knowledge-based engineering tecnologia derivante dall Intelligenza Artificiale parte del dominio KB (che comprende i sistemi esperti) mirata allo sviluppo di applicazioni dedicate di Design Automation per la progettazione di dettaglio può essere definita come l uso di tecniche e software avanzati per catturare e riutilizzare le conoscenze di prodotti e processi in maniera integrata. PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 41 KBE knowledge-based engineering (2) caratteristiche opera in un dominio limitato competenza: soluzioni comparabili a quelle fornite da un esperto umano possibilità di verifica delle scelte e conclusioni per ridurre i tempi ed i costi di progettazione implementare le best practices aziendali assicurare un alto livello qualitativo delle soluzioni PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 42

22 KBE knowledge-based engineering (3) Conoscenza Continuo aggiornamento Risultati delle analisi Regole Acquisizione Analisi Metriche KNOWLEDGE BASE Richieste Cliente o Mercato CAD Modello Prodotti Manifattura PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 43 KBE knowledge-based engineering (4) metà anni 80: primi sistemi KBE commerciali The Concept Modeller (Wisdom System) ICAD basati su un linguaggio di programmazione O-O per rappresentare architettura di prodotto regole di progettazione, dimensionamento, verifica interfacce per data-base, applicazioni esterne strumenti per realizzare GUI (Graphic User Interface) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 44

23 knowledge-based engineering/fasi sviluppo acquisizione della conoscenza (e relative fonti) letteratura tecnico/scientifica (libri, riviste, atti di convegni, ) normative (internazionali, nazionali, di settore, aziendali, ) esperti (di settore, aziendali, ) formalizzazione della conoscenza metodi coerenti con gli strumenti usati per lo sviluppo rappresentazione della conoscenza (implementazione) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 45 esempi storici configurazione aut. stampo tranciatura (The Concept Modeller 92) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 46

24 esempi storici (2) pro s rappresentaz. esplicita architettura prodotto specificità progr. O-O (classi, ereditarietà, ) con s no rappresentazione esplicita processo difficoltà ed elevate competenze informatiche per lo sviluppo delle applicazioni PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 47 esempi storici (3) configurazione f. Indy (Selling Point, 2000) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 48

25 esempi storici (4) caso Jaguar: progettazione fari: secondo la forma del corpo macchina mirando la corretta visibilità della strada libreria di oggetti, studio degli ingombri fasi di progettazione suggerite dal sistema attraverso una procedura compilata strumento: ICAD della KTI (Calkins, D., Learning All About Knowledge-Based Engineering, Product design and development CAD/CAE report) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 49 knowledge-based engineering/attuale molti sistemi CAD (CATIA, Unigraphics, ) hanno moduli per la rappresentazione della conoscenza nuovi strumenti KBE rendono più agevole ed accessibile lo sviluppo di applicazioni indipendenti da un sistema CAD specifico tools e linguaggio di programmazione per rappresentare architettura di prodotto e processo di progettazione rappresentazione indipendente di architettura e processo interfacce verso il mondo esterno (data-base, fogli di calcolo, FEM, multibody, strumenti di calcolo, ) tools per GUI PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 50

26 knowledge-based engineering/attuale (2) Unigraphics: caso Honda reparto corse PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 51 knowledge-based engineering/considerazione il grande limite della tecnologia descritta è la complessità, la difficoltà e l onerosità della fase di sviluppo gli strumenti più recenti cercano di superare tali limiti PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 52

27 knowledge-based engineering/es. recenti Applicazione per la progettazione automatica di scambiatori di calore a fascio tubiero (RuleStream 2003) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 53 knowledge-based engineering/es. recenti (2) processo di progettazione As-Is Responsabile progettazione Progettista senior Commessa cliente Definizione specifiche Know how Specific he Fascio tubiero Piastra Mantello Sistemi drafting Fogli di calcolo Norme Fascio tubiero Progettista senior Configurazione flangiatura Flangiatu ra Progettista senior Configurazione testate Testate Progettista junior Sistemi drafting Fogli di calcolo Norme Know how Database Sistemi drafting Fogli di calcolo Norme Modellazione 3D Analisi costi Sistemi drafting Modellatori 3D Listini prezzi Progetto completo PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 54

28 knowledge-based engineering/es. recenti (3) interfaccia applicazione PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 55 knowledge-based engineering/es. recenti (4) L applicazione permette di dimensionare correttamente tutti i componenti definire i vincoli d assieme ottenere i modelli 3D ed i disegni esecutivi delle parti generare l elenco dei componenti e dei materiali stimare il costo e stilare il preventivo per il cliente richiedendo in input le specifiche dello scambio termico gli ingombri i materiali alcune scelte funzionali PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 56

29 knowledge-based engineering/es. recenti (5) scambiatori con uguali caratteristiche termiche e diverse dimensioni PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 57 knowledge-based engineering/es. recenti (6) progettazione automatica di una famiglia di presse piegatrici idrauliche (RuleStream, 2004) PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 58

30 knowledge-based engineering/es. recenti (7) specifiche di progetto forza di piegatura apertura profondità incavo corsa lunghezza di piega interasse spalle PS75 PS125 PS150 PS250 PS PS PS PS PS75-600/2 PS PS PS PS PS /2 PS PS /2 PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 59 knowledge-based engineering/es. recenti (8) architettura prodotto SPALLA DESTRA CARATTERISTICHE FISICHE PESO... GRUPPO INCASTELLATURA SPALLA CARATTERISTICHE RESISTENZA MECCANICHE... TRAVERSA INFERIORE SPALLA SINISTRA FORME PRESSA PIEGALAMIERE... CARATTERISTICHE GEOMETRICHE DIMENSIONI FEAUTURES FORI SPALLATURE GUIDE... ANTERIORI GUIDE FORMULE GUIDE POSTERIORI RELAZIONI DI INTERAZIONI CON GRUPPO PESTONE PESTONE DIMENSIONAMENTO L UTENTE... DIMENSIONAMENTI GRUPPO CILINDRI... RELAZIONI CON ALTRE PARTI ACCOPPIAMENTI PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 60

31 knowledge-based engineering/es. recenti (9) output applicazione PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 61 knowledge-based engineering/es. recenti (10) RuleStream Sistema KBE utilizzato per definire le caratteristiche principali del modello virtuale MS SQL database utilizzato da RS per memorizzare le conoscenze Solid Works programma CAD Visual Basic linguaggio di programmazione utilizzato per definire il software di gestione delle distinte MS Excel Foglio elettronico utilizzato per elencare le varie parti della macchina nella BOM PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 62

32 knowledge-based engineering/es. recenti (11) modello Solid Works distinta base distinta strutturata tavole costruttive Quantità Codice Livello --> Nome parte Gruppo: Punzone presentazione_p presentazione_p > armadio 2 presentazione_p > piastra armadio 2 presentazione_p > piastra armadio inf 5 presentazione_p > M8 X 20 ISO presentazione_p > LN presentazione_p > M12X30 TCEI-PG-UNI5931 Gruppo: Cilindro presentazione_c presentazione_c > M8 X 40 ISO presentazione_c > M10X20 2 presentazione_c > UNI8841-A 8 2 presentazione_c > UNI5588-M12 5 presentazione_c > M8 X 20 ISO 4016 Elementi non presenti in distinta d Quantità Nome della parte 2 31X9CL72G 1 31APC100 1 Bracio_Giunto snodo 1 Bracio_tubo60x60_1 1 Bracio_Giunto angolo90 1 Bracio_tubo60x60_2 1 Bracio_Giunto attacco1 1 Bracio_Giunto attacco2 1 Bracio_Giunto MONITOR 1 Bracio_Giunto perno 1 MANIGLIA M6X40 1 LN Bracio_Giunto a parete PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 63 knowledge-based engineering/es. recenti (12) Si ottengono disegni costruttivi: assieme totale sottoassiemi parziali parti grezze parti finite PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 64

33 conclusioni due tecnologie (parametrica e knowledgebased) per la realizzazione di applicazioni di progettazione automatica indicazioni per lo sviluppo di applicazioni basate sulla parametrizzazione gestione di parametri locali alle parti e condivisi/generali gestione dei parametri da foglio elettronico elementi della tecnologia KBE rappresentazione archittetura rappresentazione processo caratteristiche di un sistema KBE esempi di applicazioni PROGETTAZIONE: METODI, STRUMENTI, APPLICAZIONI 65