7 ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ... 7-1 7.1 ΟΡΙΣΜΟΣ...7-1 7.2 ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ...7-1 7.2.1 ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΣΧΕ ΙΑΣΗ... 7-1 7.2.2 ΨΗΦΙΑΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ... 7-2 7.2.3 ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ... 7-3 7.2.4 ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΟ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΟ... 7-3 7.3 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ...7-5 7.4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ...7-6
7 ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ 7.1 ΟΡΙΣΜΟΣ Ως πλασµατική µηχανική ορίζεται η χρήση µεθόδων προσοµοίωσης στη διαδικασία λήψης αποφάσεων και διαδικασιών ελέγχου. Αποτέλεσµα εξελίξεων στα εργαλεία µελέτης µε χρήση Η/Υ, όπως CAD, CAE - FEA, και της ισχύος των Η/Υ. Στο πλασµατικό περιβάλλον όλες οι γεωµετρικές και φυσικές ιδιότητες του πραγµατικού συστήµατος µοντελοποιούνται µε ακρίβεια, όπως κατεργασία, συναρµολόγηση, διαδικασίες παραγωγής, έλεγχος και αξιολόγηση. Συνεπώς, µπορεί να καλύψει όλη τη διαδικασία σχεδιασµού και παραγωγής. Η µεθοδολογία αυτή αλλάζει σηµαντικά την όλη διαδικασία σεδιασµού του προιόντος, επιτρέποντας πολλά πλασµατικά πρωτότυπα να δοκιµασθούν. Ιδιαίτερα σηµαντική µεθοδολογία, ιδιαίτερα για εφαρµογές όπου τα φυσικά πρωτότυπα είναι χρονοβόρα και κοστοβόρα. 7.2 ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 7.2.1 ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΣΧΕ ΙΑΣΗ Το κύριο στοιχείο στην πλασµατική σχεδίαση είναι η συµµετοχή (immersion) του χειριστή στο προιόν, µε χρήση ειδικού εξοπλισµού, σχ. 1. Ο χειριστής έχει πρόσβαση στο χώρο και έχει ανάδραση και µε ήχο. Εχει τελείως διαφορετική προσέγγιση στην επικοινωνία του χρήστη µε το µοντέλο. Πλασµατική Μηχανική -7-1-
Σχ. 1. Πλασµατική σχεδίαση µε χρήση του ειδικού εξοπλισµού πλασµατικής πραγµατικότητας. Οι στόχος είναι: η επέκταση της επικοινωνίας µεταξύ του σχεδιαστή και του µοντέλου, η συµµετοχή του χρήστη στην διαδικασία της σχεδίασης η συµµετοχή οµάδων κρίσης του προιόντος (συναρµολόγηση, συντήρηση, κλπ.) 7.2.2 ΨΗΦΙΑΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Η κάθε κατεργασία µπορεί να εκτελεσθεί στην οθόνη του υπολογιστή πριν από την υλοποίηση της στο πραγµατικό περιβάλλον, σχ.2. Σχ.2. Ψηφιακή προσοµοίωση συγκόλλησης µε ροµπότ. Πλασµατική Μηχανική -7-2-
Εφαρµογές στην κατεργασία µε ψηφιακή καθοδήγηση, στην ροµποτική, στην µέτρηση µε αυτόµατες µηχανές, κλπ. Τρέχουσα έρευνα προσανατολίζεται στην προσοµοίωση ρευστών, ατόµων, πολύπλοκων συστηµάτων, µε απαιτήσεις στην µοντελοποίηση δυναµικών συστηµάτων, ταλαντώσεων, ακουστικής, παραµορφώσεων, κλπ. 7.2.3 ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ Αποσκοπεί στην δηµιουργία του προιόντος (συναρµολόγηση) από τα µοντέλα των εξαρτηµάτων που το συνιστούν, σχ.3. Αποσκοπεί κύρια στον έλεγχο της δυνατότητας συναρµολόγησης του προιόντος, που περιλαµβάνει: παρεµβολή, ανοχές, σειρά και βέλτιστη κίνηση συναρµολόγησης, δοµική και λειτουργική ανάλυση (κινηµατική και δυναµική προσοµοίωση). Σχ. 3. Πλασµατικό πρωτότυπο µηχανής µε τη βάση της. 7.2.4 ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΟ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΟ Αποσκοπεί στην προσοµοίωση όλου του συστήµατος παραγωγής, σχ.4. Περιλαµβάνει όλα τα στοιχεία του εργοστάσιου, όπως, παραγωγικές µονάδες, κατεργασίες, εφοδιαστική, κλπ. Η λεπτοµέρεια προσοµοίωσης περιλαµβάνει ροµπότ, µεταφορικές ταινίες, ιδιοσυσκευές, κλπ. Σχ.4. Πλασµατική προσοµοίωση εργοστάσιου αυτοκινητοβιοµηχανίας. Πλασµατική Μηχανική -7-3-
Αποσκοπεί στον προγραµµατισµό της παραγωγής, στον σχεδιασµό του συστήµατος παραγωγής, κλπ. ιακρίνουµε τρία πεδία εφαρµογής της πλασµατικής παραγωγής. Η επικεντρωµένη στο σχεδιασµό όπου εξετάζεται η δυνατότητα παραγωγής του προιόντος, Η επικεντρωµένη στην παραγωγή, όπου δηµιουργούνται και εξετάζονται τα στάδια κατεργασίας και τα πλάνα παραγωγής Η επικεντρωµένη στον έλεγχο, όπου εξετάζονται οι δραστηριότητες στο εργοστάσιο. Πλασµατική Μηχανική -7-4-
7.3 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Η πλασµατική παραγωγή καλύπτει ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών, από την δηµιουργία του µοντέλου, την δοκιµή της παραγωγής και του πρωτοτύπου. Αναλυτικά µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως: Εργαλείο Σχεδίασης Αξιολόγηση δυνατότητας παραγωγής (Manufacturability Assessment). Χρόνος κατεργασίας, παραγωγής, προετοιµασίας, κόστος, κλπ. Προσδιορισµός και Ελεγχος Ποιότητας. Στατιστικός έλεγχος προιόντος, συναρµολόγησης, κλπ. Ελεγχος και Βελτιστοποίηση ιαδικασιών. Πρόγραµµα Ψηφιακού Ελέγχου, Ροµπότ, τροφοδοσία εξαρτηµάτων, κλπ. Προγραµµατισµός παραγωγής και προιόντος. Ο προγραµµατισµός παραγωγής γίνεται µε χρήση συστηµάτων προσοµοίωσης και ο προγραµµατισµός του προιόντος µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τον προσδιορισµό του κόστους, το χρόνο παράδοσης, κλπ. Επικοινωνία µε το Χρήστη. Βάση Γνώσης. Συνεργασία µεταξύ οµάδων. Πλασµατική Μηχανική -7-5-
7.4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Οι πρώτες εφαρµογές ήταν από τη χρήση προιόντων CAM, FEM, Κινηµατική ανάλυση, κλπ. Σήµερα τα προγράµµατα πλασµατικής µηχανικής είναι ξεχωριστά τελείως προγράµµατα που επικοινωνούν µε ανταλλαγή δεδοµένων µε τα συστήµατα CAD. Η αρχή λειτουργίας τους είναι τελείως διαφορετική από τα συστήµατα CAD. Στο σχ. 5 φαίνεται η δοµή των δύο συστηµάτων, όσον αφορά τα δεδοµένα, τις µηχανές γραφικών και την επικοινωνία µε το χρήστη. Η κύρια διαφορά τους είναι στην επικοινωνία µε το χρήστη. CAD εδοµένα ΠΠ εδοµένα 3 Γεωµετρία ( µαζί µε χρώµατα, υφή, φωτισµό... ) Τεχνική βάση δεδοµένων ( κωδικοί κοµµατιών... ) Συµπεριφορά ( περιορισµοί, συγκρούσεις µάζα) 3 Γεωµετρία ( µαζί µε χρώµατα, υφές, φωτισµούς... ) Συµπεριφορά ( περιορισµοί, συγκρούσεις µάζα) Εξοπλισµός Εξοπλισµός 3 φωτορεαλισµός Προσοµοίωση (πεπερασµένα στοιχεία, ανίχνευση συγκρούσεων...) 3 φωτορεαλισµός σε πραγµατικό χρόνο Προσοµοίωση σε πραγµατικό χρόνο (πεπερασµένα στοιχεία, ανίχνευση συγκρούσεων...) Είσοδος / Εξοδος Χρήστη Εξοδος Χρήστη Είσοδος Χρήστη Οθόνη Πληκτρολόγιο Ποντίκι Τεχνικές φωτορεαλισµού: Στερεοσκοπία Multipipe => Τοίχος, Αίθουσα CAVE, κράνος Συσκευές ανίχνευσης κίνησης: Γάντια Ανιχνευτές Κίνησης Σχ. 5. Σύγκριση χαρακτηριστικών συστηµάτων CAD και Πλασµατικής Παραγωγής. Επιπλέον, τα συστήµατα πλασµατικής µηχανικής κάνουν χρήση δύο τεχνικών για την ικανοποιητική τους λειτουργία. Αυτές είναι: Επίπεδο λεπτοµέρειας (Level of Detail). Ολες οι επιφάνειες προσεγγίζονται µε επίπεδες επιφάνειες. Με την τεχνική LOD αλλάζει η ακρίβεια µε την οποία παρουσιάζεται το εξάρτηµα στην οθόνη. Υπάρχει στατικό και δυναµικό LOD. Με το πρώτο η παρουσίαση αλλάζει µε το µέγεθος του αντικειµένου, ενώ µε το δεύτερο µε την ταχύτητα του. Πλασµατική Μηχανική -7-6-
Culling, που είναι η επιλεκτική παρουσίαση αντικειµένων στην οθόνη. Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις. View frustum, που αποκλείει από προβολή στην οθόνη στοιχεία που είναι εκτός της όψης και Occurrence, όπου αντικείµενα που δεν φαίνονται δεν στέλνονται στο γραφικό υποσύστηµα. (A) (B) (C) (D) Σχ.6. ιάφορες συσκευές και εξοπλισµός για Πλασµατική Μηχανική (α) η συσκευή FOHMD, (β) Θέατρο Πλασµατικής Πραγµατικότητας, (γ) Phantom της SensAble Technology, (δ) Data Glove. Η υλοποίηση συστήµατος πλασµατικής µηχανικής απαιτεί ειδικευµένο εξοπλισµό, ο οποίος σε ορισµένες εφαρµογές είναι πολύ υψηλού κόστους. Τέτοιος εξοπλισµός είναι, κάσκες πλασµατικής παραγωγής (Head mounting displays), σχ. 6α, Θέατρο πλασµατικής πραγµατικότητας (Spatially Immersive displays), σχ. 6β, τα χαµηλού Πλασµατική Μηχανική -7-7-
κόστους shutter glasses, συσκευές ανάδρασης (haptic devices), σχ. 6γ, συσκευές ελέγχου (tracking devices), και γάντια δεδοµένων (data gloves), σχ. 6δ. Στο σχ. 7 φαίνεται µια ακριβή διάταξη για πλασµατική µηχανική και ο εξοπλισµός προβολής στην οθόνη. Σχ. 7. The Immersive Workwall από την Fakespace, (a) Η τρισδιάστατη απεικόνιση ενός αυτοκινήτου, στην επίπεδη οθόνη, (β) η διάταξη προβολής στην οθόνη. Παρουσιάζονται περιληπτικά ορισµένες εφαρµογές όπου έχει γίνει εφαρµογή της πλασµατικής µηχανικής.! BOEING 777 JETLINER. Η σχεδίαση έγινε από 238 οµάδες σχεδιοµελέτης (Designbuild teams). Σύστηµα CAD CATIA και το δικό της σύστηµα Electronic Pro- Assembly In Computer (EPIC). Ολο το αεροπλάνο ήταν ψηφιακό και µόνο η µύτη του έγινε σε πρωτότυπο.! GM Virtual Prototype of a Locomotive Engine GM16V165H 6300 HP, σχ.8. Σχ. 8. GM16V165H 6300 HP locomotive engine. Σύστηµα UNIGRAPHICS. Αποτελέσµατα, 18 µήνες ανάπτυξης έναντι των 36. Βελτιωµένη αξιοπιστία. Πλασµατική Μηχανική -7-8-
! CRYSLER AUTOMOTIVE INTERIOR DESIGN. Το εσωτερικό της Chrysler 1998 Dodge Durango, σχεδιάστηκε µε πλασµατική πραγµατικότητα, σχ. 9. Σχ. 9. Πλασµατική µελέτη εσωτερικού αυτοκινήτου (Chrysler).! STOCKHOLM METROCAR 2000. Το εσωτερικό του τρένου µε τα υλικά, κλπ. σχεδιάστηκε στο πρόγραµµα d/vise της DIVISION (τώρα PTC), σχ. 10. Σχ. 10. Πλασµατικό πρωτότυπο του Metrocar 2000. Πλασµατική Μηχανική -7-9-