ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ Η/Υ (Computer Aided Design) Ενότητα # 1: Εισαγωγή Δρ Κ. Στεργίου Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Αντικείμενο του εργαστηρίου είναι η εκπαίδευση και εξοικείωση των σπουδαστών σε σύγχρονα συστήματα βιομηχανικού σχεδιασμού που αφορούν τόσο στη δισδιάστατη και τρισδιάστατη σχεδίαση μηχανολογικών κατασκευών με Η/Υ (CAD), όσο και στον υπολογισμό και τη βελτιστοποίηση των κατασκευών αυτών (CAE). Οι εκπαιδευτικές δραστηριότητες του εργαστηρίου επικεντρώνονται στην υποστήριξη των μαθημάτων: Σχεδίαση μηχανολογικών κατασκευών με Η/Υ (CAD) Σχεδιασμός των Κατασκευών Μοντελοποίηση και υπολογισμός στοιχείων κατασκευών (CAD-CAE) Αρχές ηλεκτρονικής σχεδίασης 4
Περιεχόμενα ενότητας Κύκλος Σχεδιομελέτης Προϊόντος Ορισμοί Μέθοδοι Ορισμού Σημείων σε σύστημα CAD Μέθοδοι ορισμού συνθετικών καμπυλών σε σύστημα CAD Μοντέλα Αλγόριθμοι Αναπαράστασης 5
Αναλυτικός Κύκλος Σχεδιομελέτης Προϊόντος 6
Ορισμοί Computer-Aided Design (CAD): Τεχνολογία χρήσης υπολογιστικών συστημάτων με στόχο την υποβοήθηση στη δημιουργία, μετατροπή, ανάλυση και βελτιστοποίηση μιας κατασκευής. [Groover and Zimmers, 1984] Computer-Aided Manufacturing (CAM) Τεχνολογία χρήσης υπολογιστικών συστημάτων με στόχο το σχεδιασμό, διαχείριση, και έλεγχο της κατασκευαστικής διαδικασίας. Computer-Aided Engineering (CAE) Τεχνολογία χρήσης υπολογιστικών συστημάτων με στόχο την ανάλυση της CAD γεωμετρίας, ώστε να δίνεται η δυνατότητα στο μηχανικό της προσομοίωσης και μελέτης της κατασκευής του κατά τη διάρκεια λειτουργίας της. Computer Integrated Manufacturing (CIM) Τεχνολογία χρήσης υπολογιστικών συστημάτων με στόχο την ενοποίηση των νησίδων αυτοματοποίησης των συστημάτων CAD/CAM/CAE μέσω της χρήσης κοινής βάσης δεδομένων. 7
Παραδείγματα DASSAULT SOLIDWORKS CATIA AUTODESK AUTOCAD INVERTOR PTC: PRO-ENGINEER CO-CREATE SIEMENS NX (old SDRC I-DEAS & UNIGRAPHICS UGS) SOLIDEDGE KUBOTEK KEYCREATOR SPACECLAIM SPACECLAIM ENGINEER 8
Ορισμός CAD (Computer Aided Design) Χρήση Υπολογιστικών Συστημάτων για Σχεδιασμό Μεταβολή Ανάλυση Βελτιστοποίηση Κατασκευών Με χρήση Βάσεων δεδομένων Μαθηματικής μοντελοποίησης και Ελέγχου δεδομένων Τεχνολογίας γραφικών 9
Γεωμετρική Μοντελοποίησης (Geometric Modeling) Μέθοδοι που περιγράφουν με απόλυτη μαθηματική ακρίβεια τη μορφή και το σχήμα αντικειμένων και σωμάτων και την προσομείωση (simulation) δυναμικών διεργασιών Περιλαμβάνονται οι υπολογιστικές λειτουργίες με τις οποίες ένα μοντέλο Αναπαρίσταται Αποθηκεύεται Αναλύεται δημιουργείται Μοντέλο = δεδομένα (data) + δομή (structure) + αλγόριθμοι Γνώση θεωρίας μοντελοποίησης απαραίτητη γιατί παρέχει στο σχεδιαστή Δυνατότητα να αποφασίσει ορθότερα ως προς το είδος των χρησιμοποιούμενων στοιχείων για την παραγωγή του μοντέλου του αντικειμένου Δυνατότητα να ερμηνεύεσει απρόσμενα αποτελέσματα Διευκολύνει τη χρήστη άλλων afarmog;vn (π.χ CAM, Rapid Prototype??? 10
2 ½ CAD-Συστήματα Περιγραφή αντικειμένων στο χώρο των οποίων η χαρακτηριστική μορφή εκτείνεται μόνο σε μια επιφάνεια Η τρίτη διάσταση δίνεται μέσω έκτασης της επιφάνειαςοδηγού γραμμικά ή πετριστροφικά 11
2 ½ CAD-Συστήματα (2) Χρήση Αξονοσυμμετρικά τεμάχια Τεμάχια επίπεδου προφίλ με σταθερή έκταση σε ύψος 12
2 ½ CAD-Συστήματα (3) Μειονεκτήματα Δυνατή η μοντελοποίηση απλών μόνο σωμάτων Το είδος της μοντελοποίησης δεν είναι πραγματικού σώματος (όγκου) Οι επιφάνειες που προκύπτουν από την Τρίτη διάσταση δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν, π.χ. για την τοποθέτηση άλλων σωμάτων Δεν είναι δυνατές οι μεταβολές της μορφής στις δευτερεύουσες (secondary) επιφάνειες 13
2 ½ CAD-Συστήματα (4) Τα 2 ½ -D συστήματα δεν μπορούν να θεωρηθούν ότι ανήκουν στη κατηγορία των καθαρά σχεδιαστικών συστημάτων Πλεονεκτήματα Το σχεδιαζόμενο τεμάχιο υπάρχει στον υπολογιστή σαν μοντέλο έστω και για το μικρό φάσμα αντικειμένων που μπορούν να κατασκευαστούν κατ αυτό τον τρόπο Οι πρόσθετες πληροφορίες που μπορούν να εξάγονται από το μοντέλο του αντικειμένου είναι απαραίτητες για παράδειγμα για την δημιουργία CNC-προγραμμάτων για τριαξονική κατεργασία σε φρέζα Υπάρχει η δυνατότητα εξαγωγής οποιονδήποτε όψεων και τομών από την κύρια όψη. Από αυτή δημιουργείται το μοντέλο του πραγματικού αντικειμένου στο σύστημα CAD. Μειονεκτήματα Δυνατή η μοντελοποίηση απλών μόνο σωμάτων Το είδος της μοντελοποίησης δεν είναι πραγματικού σώματος (όγκου) Οι επιφάνειες που προκύπτουν από την τρίτη διάσταση δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν, π.χ. για την τοποθέτηση άλλων σωμάτων Δεν είναι δυνατές οι μεταβολές της μορφής στις δευτερεύουσες (secondary) επιφάνειες 14
2-D CAD Συστήματα Μεταξύ των διάφορων όψεων και τομών δεν υφίσταται καμία σχέση. Όλες οι όψεις και τομείς πρέπει να δημιουργηθούν ανεξάρτητα Η συνέπεια και η λογική μεταξύ των διαφόρων όψεων δεν είναι δεδομένη. Εξαρτάται από το σχεδιαστή. Η ακεραιότητα και πληρότητα του μοντέλου δεν είναι απαιτητή ούτε ελέγχεται. 15
2-D CAD Συστήματα (2) Χρήση Διδιάστατα συμβατικά σχέδια Σχεδιασμός κυκλωμάτων Αξονομετρικά τεμάχια ή ελάσματα 16
Μέθοδοι Ορισμού Σημείων σε σύστημα CAD 17
3-D Συστήματα CAD Το απεικονιζόμενο αντικείμενο περιγράφεται ολοκληρωμένα και η γεωμετρία του είναι ανά πάσα στιγμή επεξεργάσιμη, συνεπώς μπορούν να γίνουν οπουδήποτε προσθήκες και μεταβολές. Μπορούν να εξαχθούν πληροφορίες για τον όγκο και γενικότερα τα μεγέθη που εξαρτώνται από αυτόν, όπως βάρος, μάζα και κέντρα βάρους Από το τρισδιάστατο μοντέλο είναι δυνατό να εξαχθούν αυτόματα όλες οι επιθυμητές όψεις, τομές και φωτορεαλιστικά σχέδια. Οποιαδήποτε μεταβολή του σχεδιαστή στη γεωμετρία του αντικειμένου, συνεπάγεται μεταβολή του τρισδιάστατου γεωμετρικού μοντέλου και συνεπώς όλων των ιδιοτήτων (βάρος, όγκος κλπ.) καθώς και των όψεων και τομών που εξαρτώνται από αυτό. Tρόποι Μοντελοποίησης 3-D CAD Συστημάτων Μοντέλα σύρματος (wireframe models) Μοντέλα επιφανειών (surface models) Στερεά μοντέλα (solid models) 18
Μοντέλα Σύρματος Τα μοντέλα αποτελούνται από Σημεία γραμμές τόξα κύκλους κωνικές τομές καμπύλες Πλεονεκτήματα των μοντέλων σύρματος Ευκολία στη χρήση και εκμάθηση Μικρές Απαιτήσεις σε υπολογιστική ισχύ Μικρός χρόνος εκπαίδευσης Απαιτεί τρόπο σκέψης παρόμοιο με αυτόν του σχεδιασμού με το χέρι Μειονεκτήματα των μοντέλων Σύρματος Μεγάλος χρόνος μοντελοποίησης Επιτρέπουν την κατασκευή μοντέλων, τα οποία δεν απεικονίζουν μονοσήμαντα το πραγματικό αντικείμενο, λόγω έλλειψης της πληροφορίας για το πού υπάρχει υλικό Αδύνατος ο υπολογισμός ιδιοτήτων για επιφάνειες και όγκους καθώς και η αυτόματη παραγωγή τομών Αδύνατη η εκτέλεση τοπικών παρεμβάσεων, όπως η στρογγύλευση μιας ακμής Αδύνατη η δημιουργία φωτορεαλιστικών σχεδίων και επίπονη η απόκρυξη των καλυμένων ακμών (hidden-line removal) Αδύνατη η αυτόματη δημιουργία NCπρογραμμάτων για πολυαξονική κατεργασία Αδύνατη η αυτόματη παραγωγή πλέγματος για ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία (FEM) 19
Μέθοδοι Ορισμού Σημείων σε CAD 20
Μέθοδοι ορισμού γραμμής σε σύστημα CAD 21
Μέθοδοι ορισμού τόξου και κύκλου σε σύστημα CAD 22
Μέθοδοι ορισμού έλλειψης και παραβολής σε σύστημα CAD 23
Μέθοδοι ορισμού συνθετικών καμπυλών σε σύστημα CAD 24
Γραμμικό Μοντέλο Σύρματος Τετραέδρου 25
Γραμμικό Μοντέλο Σύρματος Κύβου 26
Γραμμικό Μοντέλο Σύρματος tesseract 27
Καμπυλόγραμμο Μοντέλο Σύρματος Κώνου 28
Καμπυλόγραμμο Μοντέλο Σύρματος Κυλίνδρου 29
Δύο Καμπυλόγραμμα Μοντέλα Σύρματος Σφαίρας 30
Ιεραρχική Δομή της Βάσης Δεδομένων 31
Προβλήματα στην Απεικόνιση Πραγματικών Αντικειμένων 32
Ελευθερίες στη Μοντελοποίηση Δυνατότητες Δημιουργίας Αντικειμένων χωρίς νόημα 33
Μοντέλα Επιφανειών (Surface Models) Στηρίζονται στην περιγραφή σωμάτων μέσω παραμετρικών επιφανειών Παραδείγματα Χρήσης Μοντελοποίηση εξωτερικών τμημάτων του Αμαξώματος ενός αυτοκινήτου Των πτερύγων ενός αεροπλάνου Συσκευασιών (φιάλες κλπ.) Χυτών, σγυρήλατων και χυτοπρεσαριστών τεμαχίων Υποδημάτων κ.α. 34
Παρεμβολή/Προσέγγιση Ελεύθερων Επιφανειών (freeform surfaces) 35
Παραμετρική Απεικόνιση Επιφάνειας 36
Μεταβολή Επιφάνειας λόγω Μετακίνησης Σημείου σε Οριακή Καμπύλη 37
Τεχνικές Περιγραφής Επιφανειών Περιγραφή μέσω καμπύλης-οδηγού (spine) 38
Δυνατότητες Ορισμού Επιφανειών μέσω Καμπύλης-Οδηγού (Spine) 39
Καμπύλες Τομής Τρόπος Περιγραφής Επιφανειών μέσω Ομάδας «Καμπυλών Τομής» από τις Οποίες Διέρχεται η Επιφάνεια 40
Καμπύλες Τομής Επιφάνειες Coons Τρόπος Περιγραφής Επιφανειών μέσω Ομάδας «Καμπυλών Τομής» από τις Οποίες Διέρχεται η Επιφάνεια Τρόπος Περιγραφής Επιφανειών μέσω Επιφανειών Coons: καθορίζονται οι καμπύλες που αποτελούν τα όρια της επιφάνειας 41
Επιφάνειες Bezier Τρόπος Περιγραφής μέσω επιφανειών Bezier Η προσέγγιση της επιφάνειας γίνεται με σειρά σημείων Είναι δυνατός ο γενικός έλεγχος της επιφάνειας 42
Επιφάνειες B-spline Τρόπος περιγραφής επιφανειών μέσω επιφανειών B-Spline Η προσέγγιση της επιφάνειας γίνεται μέσω παρεμβολής σε σειρά σημείων Είναι δυνατός ο τοπικός έλεγχος της επιφάνειας 43
Fillet - Offset Επιφάνεια Στρογγύλευσης (fillet) B-Spline επιφάνεια που παρεμβάλλεται μεταξύ δύο σημείων 44
Επιφάνειες Επέκτασης (offset) 45
Κομματιαστή Μοντελοποίηση Τοπικών Επιφανειακών Μπαλωμάτων (Patches) 46
Κομματιαστή Μοντελοποίηση Τοπικών Επιφανειακών Μπαλωμάτων (Patches) (2) Δημιουργία Πολύπλοκων Επιφανειών Προβλήματα Μοντελοποίησης Όταν περισσότερα τοπικά επιφανειακά μπαλώματα συμπίπτουν σε ένα τμήμα τους 47
Μοντέλα Επιφανειών Μοντέλα Σύρματος Πλεονεκτήματα Παρέχουν πιο ακριβή αναπαράσταση του πραγματικού αντικειμένου Παρέχουν τη δυνατότητα απόκρυψης κρυφών γραμμών και επιφανειών κατά την απεικόνιση Δίνουν τη δυνατότητα σκίασης των μοντέλων Παρέχουν τη δυνατότητα υπολογισμού όγκου, φυσικών ιδιοτήτων Μπορεί να γίνει δημιουργία πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων και πορείας κοπτικού εργαλείου Μπορούν να πραγματοποιηθούν τομές αντικειμένων καθώς και έλεγχος παρεμβολής άλλων αντικειμένων 48
Μοντέλα Επιφανειών Μοντέλα Σύρματος Μειονεκτήματα Οι επιφάνειες είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους. Δεν υπάρχουν «κοινές καμπύλες» Η μοντελοποίηση δεν αποτελεί απεικόνιση του πραγματικού αντικειμένου αλλά σύνολο επιφανειών που το περικλείουν Η δημιουργία του μοντέλου είναι επίπονη και απαιτεί τη δημιουργία και διαχείριση κάποιου μοντέλου σύρματος Τα μοντέλα είναι πολύπλοκα και απαιτείται μεγάλη επεξεργαστική ισχύς Δεν ενδείκνυνται για την παραγωγή σχεδίων Προϋποτίθεται γνώση μαθηματικών 49
Παραδείγματα (2) 50
Στερεά Μοντέλα (Solid Models) Πλήρης μοντελοποίηση στον υπολογιστή τρισδιάστατων στερεών σωμάτων Σήμανση ύπαρξης υλικού Πλήρης καταχώρηση γεωμετρικών και τοπολογικών πληροφοριών Ιδιότητες Πληρότητα Περιγραφής Αναμφίβολος τρόπος αναπαράστασης Εγκυρότητα Περιγραφής Λειτουργία Συστήματος Στερεάς Μοντελοποίησης Γενικές Μέθοδοι Δημιουργίας Στερεών Λειτουργίες Μεταβολής της μορφής Αλγόριθμοι Αναπαράστασης Αλγόριθμοι Υπολογισμού 51
Γενικές Μέθοδοι Δημιουργίας Στερεών 1. Στοιχειώδη Στερεά Σώματα Σταθερή τοπολογία μεταβλητές διαστάσεις Ορθογώνιο (box) Σφήνα (wedge) Σφαίρα (sphere) Κώνος (cone) Κύλινδρος (cylinder) Σαμπρέλα (torus) 52
Γενικές Μέθοδοι Δημιουργίας Στερεών (2) 2. Σάρωση (sweeping) Γραμμική περιστροφική 53
Γενικές Μέθοδοι Δημιουργίας Σάρωση ακεραίου σώματος Στερεών (3) Σάρωση κατά μήκος Καμπύλης 54
Γενικές Μέθοδοι Δημιουργίας Σάρωση κατά μήκος επιφάνειας Στερεών (4) Σύνδεση (sewing) 55
Λειτουργίες Μεταβολής της Μορφής 1. Λειτουργίες Συνόλων (Boolean Operations) Ένωση (Union) Αφαίρεση (Subtraction) Τομή (Intersection) 56
Λειτουργίες Μεταβολής της Μορφής (2) 2. Τοπικές Μεταβολές της Μορφής Τοπική Επέμβαση: αποτέλεσμα λειτουργίας γνωστό 57
Παραδείγματα Τοπικών Μεταβολών Μορφής 58
Αλγόριθμοι Αναπαράστασης Απεικόνιση ως μοντέλο σύρματος Απεικόνιση με αφαίρεση κρυφών γραμμών (hidden line removal) Απεικόνιση πηγές φωτός και σκίαση επιφανειών (shaded pictures) 59
Αλγόριθμοι Αναπαράστασης (2) 60
Αλγόριθμοι Αναπαράστασης (3) 61
Τέλος Ενότητας