Przyczyny rozwoju systemów wspomagających prace inżynierskie
Wymagania rynkowe:
Konieczność zaproponowania klientowi nowoczesnego i ciekawego produktu oraz
T (time) – skrócenie czasu projektowania i wykonania wyrobu
Q (quality) – zapewnienie wysokiej jakości wyrobu
C (cost) – obniżenie kosztów produkcji
S (service) – zapewnienie obsługi serwisowej
Wzrost możliwości obliczeniowych sprzętu komputerowego (procesorów, kart graficznych).
CAD (Computer Aided Design – komputerowe wspomaganie projektowania) – systemy wspomagające projektowanie inżynierskie, głównie w zakresie modelowania geometrycznego części i zespołów oraz tworzenia i edycji dokumentacji konstrukcyjnej.
CAE (Computer Aided Engineering – komputerowe wspomaganie obliczeń i analiz inżynierskich) – systemy wspomagające projektowanie i związane z nim obliczenia i analizy (oparte głównie na metodzie elementów skończonych).
CAP (Computer Aided Planning – komputerowe wspomaganie planowania) – systemy wspomagające projektowanie technologiczne (co i jak należy wykonać w procesie wytwórczym). CAM (Computer Aided Manufacturing – komputerowe wspomaganie wytwarzania) – systemy integrujące fazy projektowania i wytwarzania. W praktyce skrót CAM dotyczy głównie systemów do programowania off-line obrabiarek sterowanych numerycznie. CAQ (Computer Aided Quality assurance - komputerowe wspomaganie zapewnienia jakości) - wspomaganie projektowania, planowania i realizacji procesów pomiarowych oraz procedur kontroli jakości. PDM (Product Data Management – zarządzanie danymi produktu) – systemy służące do gromadzenia i udostępniania danych produkcie, integrują przepływ dokumentacji elektronicznej w przedsiębiorstwie PLM (Product Lifecycle Management – zarządzanie cyklem życia produktu) – systemy wspomagające wszystkie procesy związane z powstaniem, wytworzeniem i obsługą produktu.
Cechy współczesnych programów CAD/CAM/CAE Parametryczność – modele opisane są przez parametry, każdy parametr posiada swoją nazwę i wartość, zmiana modelu następuje przez zmianę wartości parametrów, wprowadzanie zmian jest możliwe na dowolnym etapie projektowania. Integracja wewnętrzna (asocjatywność) – każda zmiana wprowadzona na dowolnym etapie projektowania powoduje zmiany we wszystkich elementach projektu (model części – złożenie – rysunek). Otwartość – oprogramowanie poprzez swoje interfejsy umożliwia komunikację i wymianę danych z innymi programami CAX.Rozwojowość – programy są stale rozwijane, pojawiają się nowe wersje zwiększające funkcjonalność oraz rozszerzające możliwości oprogramowania. Budowa pakietowo-modułowa – oprogramowanie zbudowane jest z modułów, z których tworzone są pakiety dedykowane dla konkretnych grup odbiorców.
Oprogramowanie inżynierskie umownie można podzielić na trzy kategorie.Poziom najniższy (low-end) - obejmuje programy, których głównym zadaniem jest wykonywanie elektronicznej dokumentacji konstrukcyjnej (rysunków). Programy te mogą posiadać pewne stosunkowo proste możliwości w zakresie modelowania 3D. Do programów takich należą: AutoCAD (Autodesk), BricsCAD (Bricsys), Draft Sight (Dassault Systemes– bezpłatny). Poziom średni (mid-range) – w zakresie CAD obejmuje programy umożliwiające parametryczne modelowanie 3D. Można przy ich pomocy tworzyć modele części, złożeń oraz opracowywać dokumentację konstrukcyjną (rysunki). Często do programów tych dołączan jest w postaci zintegrowanych dodatków oprogramowanie z zakresu CAM/CAE.Do programów tej kategorii należą: SolidWorks (Dassault Systeme), Inventor (Autodesk), SolidEdge (Siemens PLM Software). Poziom najwyższy (high-end) – tworzą kompleksowe programy CAD/CAM/CAE o rozbudowanych modułach, umożliwiające konfigurowanie pakietów w zależności od potrzeb użytkownika. Wspomagają prace inżynierskie na każdym etapie powstawania wyrobu. Podstawową zaletą tych programów jest zawarcie całego cyklu projektowego w jednym środowisku bez potrzeby wymiany plików. Programami takimi są: CATIA (Dassault Systeme), NX (dawniej Unigraphics) (Siemens PLMSoftware), Pro/ENGINEER (PTC Corporate).
Model 2D – przedstawienie części w kilku rzutach z wykorzystaniem zasad rysunku technicznego,
Model 2D - do budowy modelu wykorzystywane elementy 2D (linie (odcinki), okręgi, łuki, splajny), element określony jest przez typ i współrzędne punktów charakterystycznych
Rodzaje modeli 3D – model krawędziowy, model powierzchniowy, model bryłowy
Z przedstawieniem modelu bryłowego lub powierzchniowego wiąże się problematyka renderingu (obrazowania). Uwzględniane są przy tym: kolor (lub tekstura powierzchni) oraz sposób oświetlenia.
Metoda modelowania bryłowego CSG (Constructive Solid Geometry). Model budowany z prymitywów geometrycznych (prostopadłościan, walec, kula, torus, ostrosłup, stożek) z wykorzystaniem algebry Boole’a.
Metoda modelowania 3D B-Rep (Boundary Representation). Model opisany jest przez ograniczające go ściany, krawędzie i punkty (bardzo złożona logiczna i fizyczna struktura danych).
Technika modelowania FBM (Feature Based Modelling) – modelowanie oparte na cechach (features). Cechy (obiekty, operacje)
Jaki model zastosować?
Symulacje ruchu, symulacje wytrzymałościowe (CAE) -Na ogół 3D bryłowy, często uproszczony
Programowanie i symulacja obróbki (CAM) - W zależności od rodzaju obróbki: krawędziowy (2D lub 3D) lub powierzchniowy
Produkcja (warsztat) - 2D (rysunek wykonawczy lub złożeniowy)
Grafika prezentacyjna - 3D (pełny model)
Podstawowe operacje – obrót (dodanie i wycięcie), wyciągnięcie po ścieżce, wyciągnięcie po profilach, faza, zaokrąglenie
Inne operacje – na ogół automatyzują pracę, dają się utworzyć z poprzednich żebro skorupa
Relacje rodzic – potomek między operacjami geometrycznymi
Edycja drzewa operacji: wygaszanie, przewijanie, zmiana kolejności
Edycja parametrów modelu – wymiary pochodzące ze szkiców i z definicji operacji
Algebra Boole’a w operacjach geometrycznych. Dodawanie i odejmowanie są domyślnie przypisane do rodzaju operacji, na przykład wyciągnięcie powoduje scalanie w jedną bryłę (dodanie), wycięcie spowoduje usunięcie fragmentu istniejącej bryły (odjęcie). Użytkownik może też sam decydować o rodzaju wykonywanej operacji Boole’a.
Operacje tworzenia powierzchni – wyciągnięcie, obrót, wyciągnięcie po ścieżce i profilach, wg granicy
Krzywe – elementy modelu powierzchniowego
Splajny - gładkie krzywe opisane przez wielomiany. Definiowane są przez podanie współrzędnych kolejnych punktów leżących na nich lub których odległość nie wykracza poza granice zadanej tolerancji. Dodatkowo definiowane są kierunki stycznych do splajnu w punktach krańcowych. Wprowadzone punkty nazywane są punktami dopasowania. Na podstawie tych danych program CAD oblicza współrzędne tzw. punktów sterujących oraz przypisuje im wagi decydujące o stopniu oddziaływania danego punktu sterującego na kształt splajnu.
Przykłady definiowania krzywych
W modelowaniu powierzchniowym stosowana jest inna technika tworzenia modelu - nie jest konieczne określenie od razu granic powierzchni. Można to pozostawić do ostatniej fazy tworzenia modelu.
Łączenie powierzchni: przycinanie, wydłużanie, zaokrąglanie
Powierzchnie – dodawanie i edycja punktów
Jaki sposób modelowania wybrać?
W większości współczesnych programów CAD 3D istnieje możliwość zarówno modelowania bryłowego, jak i powierzchniowego. Zwykle oba sposoby są parametryczne. Jednak modelowaniu części maszyn na ogół projektanci posługują się modelowaniem bryłowym.
• Jest ono szybsze. Model można uzyskać przy mniejszej liczbie kroków niż przy oddzielnym tworzeniu każdej ze ścian − powierzchni.
• Uzyskuje się krótsze i bardziej przejrzyste drzewo operacji geometrycznych, co ułatwia zarządzanie parametrami.
• Przy modelowaniu powierzchniowym projektant musi zadbać o spójność modelu(wspólne krawędzie i wierzchołki), w modelowaniu bryłowym zwykle zapewnia to system w sposób automatyczny. Istnieją jednak sytuacje, w których modelowanie powierzchniowe jest niezbędne. Dotyczy to zwłaszcza skomplikowanych powierzchni odwzorowujących
Przekształcenie modelu powierzchniowego w bryłowy
W programach CAD obsługujących oba sposoby modelowania model powierzchniowy można przekształcić na bryłowy. W przypadku
powierzchni otwartych przez nadanie grubości powierzchniom. W przypadku powierzchni zamkniętych również przez wydanie polecenia
wypełnienia modelu.
Modele hybrydowe
Istnieją sytuacje, w których tylko dla fragmentu części uzasadnione jest zastosowanie technik modelowania powierzchniowego. Tworzone są wówczas tzw. modele hybrydowe zawierające operacje bryłowe i powierzchniowe, przy czym końcowych krokach projektowych zwykle następuje przekształcenie elementów powierzchniowych i ostatecznym efektem jest model bryłowy.
Ciągłość krzywych i powierzchni
W modelowaniu powierzchniowym ważne jest zachowanie ciągłości modelu. Wyróżnia się następujące rodzaje ciągłości odnoszące się
zarówno do krzywych, jak i powierzchni:
– spójność (wspólna krawędź, brak szczeliny)
– styczność
– ciągłość krzywizny
– ciągłości gradientu (brak gwałtownej zmiany krzywizny)
O rodzaju wymaganej ciągłości decyduje zwykle rodzaj i przeznaczenie części. W przypadku części maszyn zwykle wystarcza ciągłość pierwszego lub drugiego typu. Dla zewnętrznych powierzchni wyrobów, zwłaszcza takich, w których wygląd jest elementem jakości, wymagana jest ciągłość krzywizny lub gradientu.
Ocena modelu powierzchniowego
Programy CAD 3D dają użytkownikowi do dyspozycji narzędzia oceny jakości powierzchni. Przykładem może być narzędzie o nazwie „zebra”. Opiera się ono na symulacji odbicia liniowych źródeł światła na bardzo połyskliwej powierzchni. Przez analizę refleksów świetlnych można dostrzec lokalne zmiany na powierzchni oraz ocenić rodzaj ciągłości w miejscach styku powierzchni. Jeśli uzyskane paski nie pasują do siebie wówczas mamy do czynienia co najwyżej ze spójnością, jeśli pasują do siebie, lecz występuje gwałtowna zmiana kierunku − mamy do czynienia ze stycznością, jeśli paski w sposób ciągły przechodzą przez granicę powierzchni mamy do czynienia co najmniej z ciągłością krzywizny.
Modelowanie złożenia
Zadaniem jest powiązanie części w złożenie tak, aby:
• w jednym dokumencie występowało wiele części,
• możliwości ruchu były takie jak w mechanizmie,
• występowały powiązania z modelami części
Przykłady innych wiązań: równolegle, prostopadle, koncentrycznie, stycznie, wspólne
Obiekty bryłowe złożenia
Są to obiekty, które istnieją tylko w pliku złożenia. Z reguły operacje Boole’a związane z tymi obiektami odnoszą się do więcej niż jednego komponentu złożenia. Najczęściej obiekty takie stosuje się do modelowania operacji montażowych np. otwory pod kołki ustalające, spawanie (modele spoin).
Metody modelowania złożeń
Metoda „od dołu w górę” (Bottom-up Design)
Jest to tradycyjna metoda modelowania złożenia. Najpierw modelowane są części. Następnie wstawiane są do modelu złożenia i nadawane są im wiązania. Ewentualne zmiany dokonywane są przez indywidualną edycję modeli części będących komponentami złożenia. Metoda stosowana jest powszechnie w sytuacji, gdy części – komponenty są już zaprojektowane. W szczególności dotyczy to części typowych i znormalizowanych pochodzących z bibliotek oraz modeli pobieranych ze stron internetowych producentów zespołów.
Metoda „od góry w dół” (Top-down Design) nazywana tez projektowaniem w kontekście złożenia. W metodzie tej modelowane części powstają w środowisku złożenia, przez co ich obiekty mogą być odniesione do istniejących elementów złożenia. Powstają zatem asocjatywne powiązania między modelami części i złożeniem. Przy wprowadzaniu zmian w złożeniu części takie dostosowują się automatycznie do wprowadzonych zmian, dzięki czemu zmiany takie wymagają mniejszego nakładu pracy.
Warstwy są podstawowym narzędziem organizacji danych rysunkowych.
Podstawowe atrybuty warstw:
• widoczność (widoczna lub ukryta)
• kolor (kolor znajdujących się na niej obiektów)
• rodzaj linii (ciągła, kreskowa, punktowa …)
• szerokość linii (cienka, normalna, gruba …)
Techniki rysowania – rysowanie precyzyjne - współrzędne (globalne i lokalne) Elementy rysunku powinny być narysowane dokładnie (nie w przybliżeniu). Nie przestrzeganie tej zasady może uniemożliwić wykorzystanie danych rysunkowych w innych programach CAX. Może też powodować trudności w pracy nad rysunkiem (np. przy kreskowaniu). W rysowaniu precyzyjnym wykorzystywanych jest kilka technik. Jedna z nich polega na wprowadzaniu współrzędnych punktów charakterystycznych w globalnym lub lokalnym układzie współrzędnych.
Techniki rysowania - rysowanie precyzyjne – tryb lokalizacji Polega na wykorzystaniu istniejących punktów charakterystycznych rysunku – przy najechaniu kursorem w okolice takiego punktu pojawia się znacznik tego punktu, dalsze zbliżanie kursora powoduje przyciągnięcie go do punktu.
Śledzenie polega na wyświetlaniu pomocniczych linii umożliwiających właściwe odniesienie wstawianego punktu względem istniejących
(współpracuje z trybem lokalizacji).
Rysowanie precyzyjne – ograniczenie ruchu kursora - tryb orto, siatka i skok kursora Podstawowe obiekty rysunkowe: odcinek, okrąg, łuk, elipsa, splajn
Wymiary i tolerancje wymiarów
Wymiary mogą mieć różny stopień zespolenia z rysunkiem. Wymiary zespolone w przypadku modyfikacji wymiarowanego obiektu
dostosowują się do wprowadzonych zmian (dostosowują położenie końców pomocniczych linii wymiarowych i zmieniają tekst wymiaru).
Wymiary nie zespolone nie zmieniają się i pozostają na swoim miejscu podczas zmiany przypisanych im obiektów geometrycznych
Tolerancje wymiarów w rysunkach CAD traktowane są jako właściwości wymiarów. Wprowadzane są przez edycję tych właściwości.
Istotnym elementem większości rysunków są różnego rodzaju napisy. Programy CAD oferują wiele możliwości w zakresie wprowadzania i
modyfikacji tekstu. Można wybierać rodzaj czcionki. Mogą to być czcionki typy TrueType. Są to czcionki rozpoznawane przez system operacyjny Windows. System ten decyduje o grubości czcionki. W programie AutoCAD i programach pokrewnych stosowane są też czcionki typu *.SHX. Dla tych czcionek o grubości linii decyduje program CAD. Grubością tą można sterować tak, jak w przypadku obiektów geometrycznych (linii, łuków itp.). W tekście mogą występować znaki specjalne niedostępne bezpośrednio z klawiatury. Dostęp do tych znaków umożliwiany jest bądź przez wybór z listy rozwijalnej, bądź przez wprowadzenie specjalnego kodu. Np. dla AutoCAD można wykorzystać następujące kody sterujące:
%%c − daje w tekście symbol średnicy ∅,
%%d − daje w tekście symbol stopnia °,
%%p − daje w tekście symbol ±,
%%nnn − daje w tekście symbol o kodzie ASCII nnn (nnn jest liczbą całkowitą z zakresu 0−255).
Programy CAD na ogół nie wymagają tworzenia tabel przez rysowanie obramowania komórek, a następnie wstawiania tekstu. Udostępniają obiekty o nazwie tabela. Obiekty te z wyglądu i w działaniu swym przypominają arkusz kalkulacyjny. Komórki mogą zawierać dane liczbowe, tekstowe, niekiedy również symbole graficzne.
...
brandusia