Tervezés SZÁMÍTÓGÉPES GÉPTERVEZÉS Fogalmak, történeti áttekintés (1. előadás) Gondolatban történő megvalósítás Mérnöki tevékenység, amely követelményeket elégít ki, a természettudomány törvényeit alkalmazza, anyagi megvalósításra törekszik. 1923 1961 1986 1991 ÁBRA: Mérnöki tervezőiroda változása a Westwood Works vállalatnál (www.westwoodworks.net) Történet 2 CAD speciális alkalmazási területei ArchiCAD CAXX modulok kapcsolódási modellje Technológia vonat : OptiTex Történet 3 OrCAD Lung CAD CACD: számítógéppel segített koncepcionális tervezés (CA Conceptual Design) CAD: számítógéppel segített tervezés (CA Design/Drafting) CAE: számítógéppel segített mérnöki tevékenység (CA Design/Drafting) CAPP: számítógéppel segített folyamat- és művelettervezés (CA Process Planning) CAM: számítógéppel segített gyártás (CA Manufacturing) CAPE: számítógéppel segített termeléstervezés (CA Production Engineering) CAQC: számítógéppel segített minőségbiztosítás (CA Quality Control) CAST: számítógéppel segített raktározás és szállítás (CA Storage and Transport) Történet 4 CAD CAM Technológia rendszert használ Segít a tervezés megvalósulásában, módosításában, áb elemzésében, éb optimalizálásában Technológia rendszert használ Gyártási műveletek tervezése, menedzselése, ellenőrzése, ő flü felügyeletel NC (numerical control) Robot programozás Történet 5 Történet 6 1
CAE Működés vizsgálata (szimuláció) Kinematikai programok Dinamikai programok vizsgálat (feszültség, deformáció, hőhatás, áramlás, stb.) Integrált testmodellezés részei folyamattervezés geometriai tervezés gyártástervezés gyártás és szerelés szimulációja rapid prototyping Történet 7 Történet 8 Miért alakult ki a CAD? Igények XX. szd. utolsó évtizedeiben: Árutermelésben túlkínálat. Szigorú piaci elvárások. Igényekés lehetőségek találkozása a 60 as években. Gyorsan piacra juttatni. Legkisebb költségráfordítással. Új funkcionális szolgáltatások. Fokozott minőség. Fokozott megbízhatóság. Történet 9 Történet 10 A fejlődés szakaszai Eredeti fejlesztések szakasza Ipari technológiává válás időszaka Tudásorientált továbbfejlesztés időszaka Eredeti fejlesztések szakasza 50 es évektől. Kezdetben csak numerikus adatfeldolgozás. Grafikus alkalmazás: MIT (1949) számítógéppel vezérelt grafikus megjelenítés. TV képernyő ő jellegű ű katódsugárcső. ő 1962. Az első interaktív grafikus rendszer. (Sketchpad) Ivan Sutherland. Történet 11 Történet 12 2
Eredeti fejlesztések szakasza Képfrissítés problematikája (másodpercenként legalább 30 szor). Kezdetben képpont orientált megjelenítés. Később vonalas megjelenítés. 80 as évektől újból a képpont orintált megjelenítőké a vezető szerep. Eredeti fejlesztések szakasza Beviteli eszközök fejlődése: fényceruza, digitalizáló tábla, egér. 1964. General Motors DAC 1 rendszere. IBM gépre épülő rajzolórendszer. (Design Automated by Computer) 1965. BllTl Bell Telephone Laboratories. Lb IBM 7094 számítógép, DEC 340M monitor. Áramköri alkatrészés huzalozásrajzoló rendszer DAC-1 (GRAPHIC 1) Történet 13 Történet 14 Eredeti fejlesztések szakasza Az első eszközfüggetlen grafikus rendszer. GINO, 1966. (University of Cambridge) 70 es évek eleje: hatékonyságot növelő szerkesztő eljárások (nagyítás, gumivonal, mozgatás, forgatás stb.) Ezekre nincs lehetőség a hagyományos rajztáblás rajzolásnál. Eredeti fejlesztések szakasza Térbeli szemléltetés: huzalváz, takart vonalas ábrázolás, felületszemléltetés, felhasználás lehetősége végeselem analízisben. módszer Történet 15 Történet 16 Ipari technológiává válás időszaka 1971. Az első kulcsrakész rajzoló és szerkesztő rendszer. (ComputerVision) 3D s geometriai modellezés Szabad formájúfelületek felületek, szplájnok. (BezierR. 1966. A Renault mérnöke) : elemi testekből Boole műveletekkel építkező eljárás (Constructive Solid Geometry) Ipari technológiává válás időszaka Palástmodellezés: határoló lapokkal, poliéderes palástmodellezés. CAD rendszerek sokasága jelenik meg: GMSolid, PADL: együttestest test éspalástleírás palástleírás. BUILD, 1973. (Anglia: Cambridge Computer Lab.) COMPAC, Németország: Berlini Műszaki Egyetem Történet 17 Történet 18 3
Ipari technológiává válás időszaka EUCLID, Franciaország EUKLID, Svájc TIPS1, Japán: Hokkaido Egyetem, 1973. 80 as évek: Árnyalási módszerek CAM Szabványos adatátvitel: CORE, GKS, PHIGS, VDA FS, SET, PDES, IGES, STEP A tudásorientált továbbfejlesztés időszaka 80 as évek eleje: ICAD = Intelligens CAD Sikertelen ICAD helyett acad = advanced CAD, fejlett CAD rendszer 80 as évek vége: tervezői tudás + interaktív hasznosítása a CAD ban Alaksajátosság koncepció (feature based) Történet 19 Történet 20/20 4
SZÁMÍTÓGÉPES GÉPTERVEZÉS A gépészeti tervezés folyamata Koncepció kialakítás Koncepcionális tervezés Konstrukció szintézis Konstrukció elemzés Részlettervezés Termékértékelés Termékdokumentálás VDI 2221 irányelv szerint: Gépészeti tervezés (2. előadás) Tervezés 2 Koncepció kialakítása Piaci igények felmérése Követelmények megfogalmazása (műszaki, gazdasági, minőségi, környezetvédelmi, stb.) Korábbi termékek áttervezésének lehetősége Számítástechnika alkalmazása: információ szerzés, rendezett feldolgozás (adatbázisok) Koncepcionális tervezés Rögzíti a: Konstrukció fajtáját (új, módosított, áttervezett) Funkciókat Működés fizikai alapjait Forma és színterveket Nem általános a szoftver alkalmazás Pl.: Visual Concept Tervezés 3 Tervezés 4 Koncepcionális tervezés Konstrukció szintézis Lehetőség van: Funkcióstruktúra generáló és elemző, huzalvázas modellező, kinematikai tervező, forma és színkidolgozó, működésszimuláló, szoftverek alkalmazására. Rendszerszemléletű modellezés: Részegységekre, alkatrészekre bontás Alkatrészek alakja Anyagok megválasztása Gyártási eljárások Működési feltételek Huzalváz, felület, testmodellek Tervezés 5 Tervezés 6 1
Konstrukció szintézis 2D rajzoló szoftverek Adatbázisok használata (kötőelemek, csapágyak) Team munka (számítógép hálózat) Korábbi gyártmányok adatbázisai Tervezés 7 Konstrukció elemzés Terhelések, igénybevételek meghatározása Mérnöki mennyiségek számítása Optimális működési viszonyok megállapítása Működési folyamat szimulációja Célszoftverek: szilárdsági, termikus, áramlástani, stb. számításokra szoftverek (adatátvitel a CAD és a VEM között) Tervezés 8 Részlettervezés Alkatrészek végleges geometriája Végleges anyagválasztás Tűrések Hőkezelés, felületkezelés Gyártáselőkészítés információi (pl. darabjegyzék) Rajzoló szoftverek Részlettervezés Szabványos elemek könyvtárai Rajzi szimbólum könyvtárak Parametrikus tervezés Alaksajátosságon alapuló tervezés Összeállítás modellezők Szövegszerkesztők, táblázatkezelők Hálózati adatkezelés Tervezés 9 Tervezés 10 Termék értékelés Termék értékelés Funkciók teljesülnek e? Gyártás és szerelés helyessége Szabványok betartása Minőségi előírások teljesülése Költségtervnek megfelelés Kereskedelmi szoftverek a gyártási és szerelési költségekre Gyors prototípus gyártás (rapid prototyping) Működési folyamatokat szimuláló szoftverek Cél: költségcsökkentés = fizikai modellek, prototípusok kkiküszöbölése Tervezés 11 Tervezés 12 2
Termék dokumentálás Alkatrészek gyártási rajzai Összeállítási rajzok i, ellenőrzési tervek Darabjegyzék, anyaglista Üzemeltetési leírás Minőségi követelmények Termék dokumentálás Papír adathordozók: gépkönyvek, prospektusok szövegszerkesztő, kiadványszerkesztő szoftverrel Mágneses adathordozók: multimédiás eszközökkel készülnek Papírmentes gyár koncepciója Semleges fájlformátumok (IGES, STEP) Tervezés 13 Tervezés 14 CAxx technológiák integrálása CAD kerék Belső integrálódás Technológia vonat Külső integrálódás Az emberi tevékenység és a számítógép alkalmazásának részaránya a tervezésben Tervezés 15 Tervezés 16 Klasszikus termékfejlesztés Szimultán termékfejlesztés Tervezés 17 Tervezés 18 3
Hardver eszközök A számítógépes tervezés eszközei (3. előadás) Munkaállomás (workstation) adott feladatra hatékony drága Személyi számítógép (PC) rugalmas olcsóbb Eszközök 2 Hardver eszközök fejlődése IBM 3380 disk microsd kártya Sajátos igények Nagyméretű és nagy felbontású monitor Erős videókártya (valós idejű megjelenítés) Nagy tárolási kapacitás Rajzok nyomtatásához: plotter 1980 20 GB 2000 kg 800 000 $ +35 év + 60% - 99,95% - 99,995% 2015 32 GB 1 g 40 $ Eszközök 3 Eszközök 4 Szoftverek CAD szakmodulok 2D rajzoló programok (AutoCad, KeyCreator,...) 3D modellező programok (Solid Edge, Solid Works, Inventor, Mechanical Desktop,...) Integrált tervezőrendszerek (Pro Engineer, Catia, NX (Unigraphics),...) koncepcionális tervező öntészeti modul cipő tervezés formatervező fröccsöntő szerszámtervező modul elektronikus áramköri panelek megjelenítése lemezalkatrész tervező modul fémöntő szerszámtervező modul ergonómiai elemzés kábelezés modellezése lemezalkatrész megmunkáló modul repülőgép konstrukciós szakmodul csővezeték modellezése hegesztés tervező modul autó konstrukciós szakmodul kinematikai szimuláció koordináta mérőgép adatait feldolgozó modul dinamikai szimuláció szilárdsági szimuláció stb. Eszközök 5 Eszközök 6 1
2D rajzolók eszközrendszere Koordináta rendszerek Rajzelemek Transzformációk Módosítások Metszet vonalkázása Méretek megadása Szöveges információk Eszközök 7 Eszközök 8 Koordináta rendszerek Globális (világ koordináta rendszer, WCS) Lokális (felhasználói koordináta rendszer, UCS) Nézet koordináta rendszer, VCS Rajzelemek Egyenes szakasz (line) Körív(arc) Kör(circle) Sokszög (poligon) Törött vonal (polyline) Kúpszeletek Szplájn(spline) Eszközök 9 Eszközök 10 Transzformációk Módosítások Elmozdítás(move) Másolás (copy) Forgatás(rotate) Tükrözés (mirror) Levágás, kivágás (trim) Kiterjesztés, meghosszabbítás (extend) Kettévágás (break) Nagyítás, kicsinyítés (scale) Letörés (chamfer) Lekerekítés (fillet, round) Eszközök 11 Eszközök 12 2
Beállítások Rajzi szabványok (ISO, DIN, ANSI) Mértékegységek Rajzlapméretek Rajzelemek attribútumai (vonaltípusok, színek) Méretezési paraméterek Betűtípusok, betűméretek Összetett rajzelemek Gyakran ismétlődő feladatok megoldására összetett szimbólumok Block Symbol Pattern Eszközök 13 Eszközök 14 Rajzolási, szerkesztési segédeszközök Rétegek (layer) Pontháló(grid) Rácspontokra ugrás (snap) Aktív kurzor (jellegzetes pontok érzékelése és kijelzése) Fogók Eszközök 15 3
Egyszerű görbék MODELLEZÉS GÖRBÉKKEL (4. előadás) egyenesek körök körívek ellipszisek Görbék 2 Egyszerű görbék alkalmazása Szabad formájú görbék egyenesek körív kör Bonyolult görbék megjelenítésére is szükség van Adott pontokhoz képest interpoláló vagy approximáló görbék A tervező által irányítható kell legyen Számítási hatékonyság és könnyű tárolás igénye Görbék 3 Görbék 4 Szabad formájú görbék Szabad formájú görbék Nyitott görbe interpoláló kontroll pontok approximáló Zárt görbe Görbék 5 Görbék 6 1
Görbék leírása A hagyományos explicit és implicit alakok nem előnyösek Példa az explicit alakra: y mx c Az explicit forma alkalmazása a görbén lévő pontok generálására alkalmas. A hagyományos leírás hátrányai A leírás nem feltétlenül jelent egyértelmű geometriát (pl. végtelen egyenes) Több értékűek lehetnek Bonyolult kijelölni egy pontot a görbén Függ a koordináta rendszertől Példa az implicit alakra: ax by c 0 Az implicit forma segítségével egy adott pont illeszkedését tudjuk ellenőrizni. Görbék 7 Görbék 8 Parametrikus leírás A görbék egy paraméter függvényeként vannak definiálva: Parametrikus leírás p p(u) ami egyenértékű x x( u), y y( u), z z( u) u görbe, p=p(u) u felület, p=p(u,v) v Görbék 9 Görbék 10 Hatványfüggvények, mint parametrikus görbék A köbös polinomok a legalacsonyabb rendű hatványfüggvények, amelyekkel a térgörbék leírhatók A görbék 4 határfeltétellel definiálhatók Köbös polinomok Lagrange interpoláció 4 pont Hermite interpoláció 2 pont, 2 érintő P p 1 p 1 3 P 0 p 2 3 ( u) k 0 k1u k 2u k 3u Görbék 11 p 0 p 2 Lagrange - egy vezérlőpont a görbe minden részére hat - hajlamos oszcillációra Hermite p 1 p 0 - folytonossághoz a szomszédos ívek a közös végpontjában azonos kell legyen az érintő - görbület általában nem folytonos Görbék 12 2
Bézier görbék A Bézier görbéket azért fejlesztették ki, hogy a görbék kényelmesebb módosítását tegyék lehetővé A Bézier görbék polinomok, amelyek approximálnak a kontroll poligonhoz Bézier görbék Tulajdonságai: a görbe átmegy a szélső pontokon (p0 és pn), az érintő a szélső pontokban p1 p0 és pn 1 pn. a súlyfüggvények szimmetrikusak, azaz a sorrend megfordítása nem befolyásolja a görbe alakját. Kontroll pontok pn 1 Kontroll poligon p1 Görbék 13 p0 pn Görbék 14 Bézier görbék és a de Casteljau algoritmus Bézier görbék és a de Casteljau algoritmus Görbék 15 Görbék 16 Példa egy Bézier görbére Globális módosítás A Bézier görbe hátrányai Bonyolult a pontok beillesztése Helyi módosítást nem tesz lehetővé Görbék 17 Görbék 18 3
Lokális módosítás Összetett görbék A szegmensekből összerakott görbéket összetett görbéknek nevezzük Folytonosnak kell lenniük a csatlakozási pontokban 2 1 3 4 Görbék 19 Görbék 20 A folytonosság mértéke Pozíció folytonosság (a végpontok kapcsolódnak) Érintő folytonosság (1. derivált azonos) Görbület folytonosság (2. derivált azonos) Magasabb rendű deriváltak azonosak 1 Görbe folytonosság 2 3 kapcsolódás (C 0 folytonosság) Görbék 21 Görbék 22 Görbe folytonosság Görbe folytonosság 1 1 2 Közös érintő 2 Folytonos görbület Érintő folytonosság (C 1 folytonosság) Görbület folytonosság (C 2 folytonosság) Görbék 23 Görbék 24 4
Összetett görbék A köbös szplájn C 2 folytonossággal rendelkezik a közbenső pontokban A köbös szplájn nem tesz lehetővé helyi beavatkozást B szplájn görbe A B szplájnok a Bezier görbék általánosításai A legnagyobb előnyük, hogy helyi beavatkozást tesznek lehetővé 1 2 3 4 Köbös polinomok Görbék 25 Görbék 26 Racionális görbék és a NURBS A racionális polinomok két polinom hányadosaként írhatók le. Homogén koordináták A görbék módosíthatók újabb kontroll pontok beiktatásával Egy általánosan használt alak a Non Uniform Rational B spline (NURBS) = nem egyenközű racionális B szplájn A csomópontvektor egyes elemei nem egyenletes térközönként helyezkednek el. Előnyei miatt egyeduralkodóvá vált a CAD/CAM gyakorlatban Görbék 27 5
3D modellezés csoportosítása topológiai szempontból Manifold kétdimenziós pontsokaságra leképezhető alakzatok MODELLEZÉS FELÜLETEKKEL (5. előadás) Nem manifold nem valószerű, kétdimenziós pontsokaságra nem leképezhető objektumok pl. a modellben eltérő dimenziójú alapegységekből áll Felületek 2 Manifold modellező eljárások csoportosítása Nem teljes értékű modellező rendszerek Huzalváz modellezés Felületmodellezés tulajdonságai Nem kezel topológiai információkat A felületek csak látvány szintjén összefüggőek Felület modellezés (véges, zárt, szabadformájú felületfoltokat ír le) Felületmodell Palástmodell Teljes értékű modellező rendszerek Palást modellezés (létezik poliéderes és valósághű palástmodell) Test modellezés (=Térfogat modellezés) (véges, zárt, reguláris ponthalmazokat ír le) Az objektum határoló felületeinek létrehozása: felületfoltok geometriai pozicionálásával különböző folytonossági megszorítások előírásával Felületek 3 Felületek 4 Felületmodellezés tulajdonságai Alkalmas bonyolultabb alakok, formák, megadására, takart vonalas megjelenítésre, árnyékolt képek előállítására, Nem alkalmas térfogat vagy tömeg jellemzők számítására, ütközésvizsgálatra, mérnöki számításokhoz numerikus modell készítésére. Felületmodellezés A görbe modellezés kiterjesztése Parametrikus leírás: p p( u, v) amivel egyenértékű: x x( u, v), y y( u, v), z z( u, v) v Izoparametrikus vonalak Felületek 5 u Felületek 6 1
Lineáris Coons folt A Coons foltok olyan felületek, melyek görbeoldalú térbeli négyszöget közelítenek. A felület lineárisan interpolál p 01 D 1 a határoló görbék között Leírás egyszerű C 0 p 11 Nem lehetséges a szomszédos foltokkal egyenletes átmenetet képezni v C 1 Kettős köbös folt A harmadrendű görbéből származik 16 ismeretlen 16 határfeltétel Ugyanúgy,mint a Lagrange vagy a Hermite görbékkel, bonyolult velük dolgozni P( u, v) 3 i 0 3 j 0 k i, j i u v j p 00 D 0 u Felületek p 10 7 Felületek 8 Bézier felületek Bézier görbékből alkotott felületek Ugyanazok a problémák, mint a Bézier görbékkel: nincs lokális módosítási lehetőség bonyolult megvalósítani a sima átmenetet a szomszédos foltok között B Spline felületek Hasonlóan a görbéhez, a B spline felületek is a Bézier felületek általánosításainak tekinthetők A felület megközelíti a kontroll poligont Nyitott és zárt felületek egyaránt megvalósíthatók Felületek 9 Felületek 10 Görbékből származó felületek Henger (kihúzás) Vonalfelület Forgásfelület Súrolt felület Szoborszerű felület Henger Egy görbét egy vektor mentén mozgatunk CAD rendszerekben kihúzással (extrusion) képezzük Generáló görbe Vektor Felületek 11 Felületek 12 2
Henger Vonalfelület Egyenletesen osztja fel a két határoló görbét A keresztmetszeteket egyenesekkel köti össze 2. élgörbe 1. élgörbe Lineáris interpoláció Felületek 13 Felületek 14 Ruled surface Vonalfelület Forgásfelület Egy görbét megforgatunk egy tengely körül Tengely Görbe Felületek 15 Felületek 16 Revolved surface Forgásfelület Súrolt felület Egy megadott görbe végigfut egy vezérgörbe mentén Vezérgörbe Adott görbe Felületek 17 Felületek 18 3
Szoborszerű felület Teljesen általános felület Felületi foltok összekapcsolásából keletkezik Beépített felületek Felületek 19 Felületek 20 4
értelmezése A test modellezés az objektumokat véges, zárt, reguláris ponthalmazként leíró eljárás. SZÁMÍTÓGÉPES GÉPTERVEZÉS (6. előadás) Az adatszerkezetben a testet felépítő alapegységek és ezek kapcsolatainak klíá leírása is megtalálható. tlálhtó A testmodellezés egyszerűbb, mint az egyéb modellezési eljárások. 2 csoportosítása Térfogat lebontó eljárások Hasáblebontó módszer Féltér módszer Térfogat feltöltő feltöltő eljárások Elemi sejtekkel való modellezés Elemi testekkel való modellezés (CSG) csoportosítása Hasáblebontó módszer lépései Véges tértartomány nyolcadolása Tértartományok feltöltöttségének vizsgálata A 100%-os és 0%-os részeket nem kell vizsgálni A részben feltöltött tartományokat újra nyolcaduljuk (3. hierarchikus szint) A folyamatot hierarchikus dekompozíciónak nevezik Csak merőleges, sík felületekkel határolt objektumok esetén pontos Ferde és görbült felületek esetén csak közelít 3 4 csoportosítása Féltér módszer lépései végtelen kiterjedésű felületekkel a teret 2db végtelen kiterjedésű tartományra bonjuk A végtelen kiterjedésű felületeket a modellezendő objektum felületeire fektetjük A felület egyik oldalán lévő félteret üresnek, a másikat anyaggal feltöltöttnek tételezzük fel A féltér definíciója: A test térfogatát a Hi félterek közös része (metszete) adja: csoportosítása Elemi sejtekkel való modellezés Az alkatrészek a méretüknél több nagyságrenddel kisebb, ún. izomorf cellákból épülnek fel Követő modellező módszer, mert a sejtekkel való feltöltés feltételezi a geometriai alak előzetes létezését Az elemi sejtek alakja, mérete egy modellen belül is változhat A teret elválasztó felület lehet sík~, henger~, kúp~, gömb~, tórusz~, stb felület. 5 6 1
csoportosítása Elemi testekkel való modellezés Constructive Solid Geometry (CSG) Az alkatrészek a méretük nagyságrendjébe eső, meghatározott geometriájú, ún. testprimitívekből épülnek fel (téglatest, kúp, gömb, stb) Az alaptesteket Boole műveletekkel módosítjuk (kompozíciós műveletek) egyesítés kivonás közös rész (ragasztás) Boole fával jeleníthető meg 7 CSG példa, Boole fa C A (A\B) C B A\B 8 További modellező módszerek Boundary Representation (B rep) Palástmodellezés Sajátosság alapú (feature based) modellezés Boundary Representation (B Rep) A testeket lapok, élek és csúcsok alkotják A topológia szabályait kell kielégíteni az objektumoknak a lapokat élekből alkotott hurok határolja minden él két lap metszésvonala minden él csúcsbanvégződik mindkét végén legalább 3 él találkozik minden csúcsban 9 10 Boundary Representation (B Rep) CSG vagy B Rep Az Euler féle szabály szerint: V E+F=2 A felületnek zártnak kell lennie Csúcsok V=8 Élek E=12 CSG Egyszerű megjelenítés Egyszerű objektumokra határolt Bináris fa ként tárol Bonyolult a számítás Egyre ritkábban használják B Rep Rugalmas és hatékony megjelenítés Explicit tárolás Előállítható a CSG ből A jelenlegi CAD rendszerek használják Lapok F=6 11 12 2
Feature Based modellezés Feature Based modellezés Az alkatrészeket úgy modellezzük, hogy sajátosságokat adunk egy alaptesthez A sajátosságok gyártási műveleteket jelenítenek meg: furat, borda, lekerekítés, letörés, horony, stb. Anyag hozzáadással vagy elvétellel dolgozik, a CSGhez hasonlóan A sajátosságok nem csak egyszerű alaptestek lehetnek, előállíthatók kihúzással, sepréssel, forgatással, stb. A munkafolyamat története a history tree, hasonló a CSG beli Boole fához 13 14 Alaksajátosságok Példa Horony Lekerekítések Furat Héj 15 16 Példa alaksajátosságokra Horony Példa alaksajátosságokra Lekerekítések Furat 17 18 3
Példa alaksajátosságokra Munkafázisok története Növekvő készültségi fok Állapot3 Végső állapot Héj Állapot2 Furat Héj Alaptest Állapot1 Horony Lekerekítés Sajátosság hozzáadása 19 20 Az alkatrészek módosítása Seprés alaksajátosság Az alkatrész a munkafázisok története szerint készül el A sajátosságok hozzáadhatók, törölhetők, átrendezhetők A sajátosságok méretei megváltoztathatók A sajátosságok paraméterei megváltoztathatók pl. kihúzás helyett kivágás 21 22 Seprés alaksajátosság Pásztázás alaksajátosság 23 24 4
Pásztázás 25 5
A hagyományos modellezés korlátai Alacsonyabb szintű modellezési alapegységeket biztosít mint amire a mérnöki gyakorlatnak szüksége van; SZÁMÍTÓGÉPES GÉPTERVEZÉS Kényszereken és változókon alapuló modellezés (7. előadás) Nem támogatja a mérnöki gondolkozást nemazelvi elvi vázlatból történő folytonos módosítással készül el a végső modell az ilyen munka inkább rekonstrukció, mintsem tényleges tervezés; Nem ad teljes körű leírást a modellezett objektumról pl. nincs információ a működés, a gyártás, az ellenőrzés stb. szempontjából fontos mikrogeometriai, fizikai, vagy anyagjellemzőkről. Kényszerek 2 Sajátosságalapú modellezés Nemcsak az objektumot, hanem az objektumhoz kapcsolódó folyamatokat is leírja A termék teljes élettartamára jellemző ismereteket kezel Geometriai modellek helyett termékmodellek Sajátosságalapú modellezés Sajátosságok: minőségi és mennyiségi jellemzők, és azok közötti összefüggések összessége Alaksajátosságok: A geometriai alak által indukált sajátosságok Léteznek még jelenség, folyamat és működéssajátosságok is Kényszerek 3 Kényszerek 4 Alaksajátosságok típusai Alaklétrehozó alaksajátosságok, valamely funkció teljesítéséhez szükséges zárt alakzatot jelenti. Ez a hordozó alakzat. Alakmódosító alaksajátosságok, gyárthatóság, szerelhetőség, szilárdsági szempontok, stb. alapján módosítja a hordozó sajátosságokat á t Alakfüggetlen alaksajátosságok a névleges alak másodlagos módosulását jelenti, pl.: méret, alak és érdességi tűrések, felületkezelések Alaksemleges alaksajátosságok nincs közvetlen kapcsolata a geometriával, alkatrészhez/alkatrészcsoporthoz rendelt, pl: anyagok, anyagjellemzők, hőkezelési előírások Alkatrész modellezés főbb részei vázlatkészítés, a vázlat geometriai és méretkényszerekkel való ellátása; bázis, és további alaksajátosságok létrehozása anyag hozzáadásával vagy elvételével; alkatrész módosítása; anyag, és más attributív információk hozzárendelése. Kényszerek 5 Kényszerek 6 1
Dinamikus modellezés A tervezés során szükséges a kiinduló geometria többszöri módosítása, melyet funkcionális, szilárdsági, minőségi, gyárthatósági vagy szerelhetőségi szempontoknak való megfelelés indukál Konstrukció variánsok előállítására való igény Kényszerek a modellezésben A felhasználói kényszerek a tervezési cél alapján határozzák meg a geometriát A tervezési változatok előállíthatók néhány fontos mérettel A geometria automatikusan megújul a kényszerek révén Kényszerek 7 Kényszerek 8 Példa Tervezési cél D1 D5 Az alkatrész legyen kétszer olyan hosszú, mint amilyen széles A furat mindkét irányban középen legyen A furat átmérője legyen 50 mm D2 D4 D3 Kényszerek 9 Kényszerek 10 Kényszerek definiálásának típusai Parametrikus modellezés A kényszerek adott sorrend szerint vannak megadva Mindegyik kényszer számítása az előtte meghatározottakra épül Fontosa kényszerek előírásának sorrendje A paraméterek között nemcsak matematikai, de logikai kapcsolatrendszer is felírható. Változó alapú modellezés A kényszerek megoldása egyidejű A kényszerek előírásának sorrendje nem lényeges Parametrikus meghatározás A felhasználó előírja a D1 méretet, a többi méret számítása egymás után történik: D1 x D D / 2 2 1 D 2D D D 3 4 5 D 3 50 1 / 2 Kényszerek 11 Kényszerek 12 2
Változó alapú meghatározás Egyenletrendszer egyidejű megoldása: D 50 0 1 5 D 2D 3 1 1 2 2D D 3 D 2D 4 0 0 0 D x 0 Kényszerek típusai Alap kényszerek Méretezési kényszerek Geometriai kényszerek Kényszerek 13 Kényszerek 14 Kényszerek típusai Alap kényszerek Méretezési kényszerek Geometriai kényszerek Vízszintes Függőleges Mindkét vég rögzített Pont elhelyezés Pont X koordinátája Pont ty koordinátája Vonal szöge Kényszerek típusai Alap kényszerek Méretezési kényszerek Geometriai kényszerek Vízszintes méret Függőleges méret Hossz méret Szögméret Sugár méret Kényszerek 15 Kényszerek 16 Kényszerek típusai Alap kényszerek Méretezési kényszerek Geometriai kényszerek Párhuzamos Merőleges Érintő Egytengelyű, egybevágó, közös síkban van, Okos vázlat A legtöbb CAD rendszer használja az okos vázlat eszközt A tervezési célt úgy követjük, hogy a kényszerek automatikusan működnek Például: ha két vonal közel merőleges, az okos vázlatban merőleges lesz, a kényszer miatt. Kényszerek 17 Kényszerek 18 3
Szerelt egység modellezése (8. előadás) Összeállítás modellezés Egy szerelt egység kettő vagy több alkatrészből áll, amelyek a térben egymáshoz képest valamilyen viszonylagos helyzetet foglalnak el Az alkatrészek helyét ésviszonylagos mozgását kényszerek határozzák meg A legtöbb összeállítás mozgása kényszerekkel teljes mértékben kötött (nincs mozgás) A mechanizmusok mozgása csak részben kötött (szabadságfok) 2 Szerelt modellek alkalmazásai Példa egy összeállításra Ütközés vizsgálat Megjelenítés árnyalt robbantott Animáció Mechanizmus elemzés 3 4 Robbantott szerelés Fúrógép: szerelt modell 5 6 1
Fúrógép: robbantott ábra Kávéfőző: modell és robbantott ábra 7 8 Gitár Gitár 9 10 Gitár Gitár 11 12 2
Gitár A szerelés hierarchia A szerelés hierarchia meghatározza a kapcsolatot az alkatrészek között A szerelt egységeknek több szintje lehet (összeállításon belül rész összeállítás) 13 14 Példa a szerelés hierarchiára Eszterga Főorsó Tokmány Szegnyereg Sebességváltó Szánszerkezet stb. alkatrészek rész-összeállítás 15 Az alkatrészek elhelyezése a szerelésben Az elhelyezés mozgatással és forgatással történik Ez megköveteli a relatív helyzetek pontos ismeretét, koordináta rendszerek használatát, és számszerű értékek ismeretét Ha egy alkatrész mérete vagy helyzete megváltozik, az összeállításnak át kell alakulnia 16 Összeállításban használt kényszerek A kényszerek folytonos kapcsolatot teremtenek az alkatrészek között Általában hasonlóan használhatók, mint a 2D s kényszerek Jellegzetes kényszerek: Két felület felfekszik egymáson Tengelyek egybeesnek Két felület párhuzamos, előírt távolságra stb. 17 Animáció és mozgás Ha egy szerelés nem teljesen lekötött a kényszerekkel, relatív mozgás lehetséges 18 3
Mechanizmus tervezés A mechanizmus egy olyan szerelt egység, amely lehetővé tesz relatív mozgást az alkatrészek között A mechanizmus tagokból áll, amelyeket kényszerek kötnek össze A kényszerek típusai: forgó csúszó gömb henger csavar Mechanizmus elemzés Több CAD rendszerben lehetőség van hajtásra, egy tag bemenő mozgásának előírásával A többi tag a kinematikai viszonyoknak megfelelően mozog Általában lehetőség van erőhatások számítására 19 20 Mozgás szimuláció Robbantott nézet 21 22 4
Bevezetés es vizsgálat (9. előadás) A mérnöki tervezés során szükség van feszültségek, hőmérsékletek, rezgések, stb. elemzésére A megszokott számítások csak egyszerű esetekben alkalmazhatók. Pl. egy befogott tartó számítása elvégezhető hagyományos módszerekkel Egy hajtóműház feszültség eloszlása viszont nem vizsgálható a klasszikus módon 2 módszer A FEM (Finite Elements Method) vagy VEM bonyolult feladatok megoldását teszi lehetővé, numerikus úton Nagy teljesítményű, rugalmas, de számításigényes Ahhoz, hogy elfogadható időn belül kellő pontosságú eredményt kapjunk a valóságot jól leíró modell szükséges Alkalmazások Feszültség vizsgálatok Folyadék áramlások Hőátvitel, hőtechnikai elemzések Dinamikai vizsgálatok Stb. 3 4 Alapismeretek (feszültség elemzés) A testet (geometriát) felbontják egymáshoz kapcsolódó egyszerű elemekre, amelyek egy rácsozatot (hálózatot) képeznek A csomópontokelmozdulásai az erőhatások függvényei, azaz f=kd Ahol f a működő erők vektora, K a merevségi mátrix és d a csomópont elmozdulása Alapismeretek Az elmozdulások meghatározásához nagyszámú egyenletből álló egyenletrendszert kell megoldani Az elemek közötti nyúlás és az annak megfelelő feszültség a csomópontok elmozdulásából interpolálható Ez az információ lehetővé teszi a nyúlások és feszültségek pontos becslését az egész alkatrészre nézve 5 6 1
A VEM lépései Előkészítés (Pre processing) hálózás, peremfeltételek Megoldás a számok ropogása Kiértékelés (Post processing) Az eredmények megjelenítése Hálózás (Mesh) Elemek és csomópontok létrehozása A modell ellenőrzése Anyagjellemzők megadása 7 8 Elem típusok Az elemek topológiája Elem családok Rúd Síkfeszültség Tengelyszimmetrikus térfogati elem Vékony héj Szolid Az elemek rendűsége lineáris, parabolikus, köbös Vékony héj Négyzet alakú Háromszög alakú Szolid Téglatest Hasáb Tetraéder 9 10 Hálózás Az elemtípus kiválasztása után az elemekből alkotott háló előállítása következik, az alkatrész geometriájának megfelelően Több szoftver automatikus hálózást is lehetővé tesz A nagyobb pontosság érdekében a feszültséggyűjtő helyek környezetében sűrűbb hálózást célszerű alkalmazni Peremfeltételek Kényszerek A peremfeltételekkel megkötjük a csomópontok szabadságfokát például, egy befalazott tartó végén lévő csomópont szabadságfoka: 0 Terhelések A működő erők és nyomatékok megadása, amelyek a feszültséget okozzák A terheléseket a csomópontokon kell elhelyezni Körültekintően kell eljárni! 11 12 2
Megoldás A hálózás és a peremfeltételek megadása után a modell elkészült, a számítás elvégezhető A bonyolultságtól függően a számítás időtartama néhány perctől órákig vagy napokig tarthat A bonyolult esetek szuper számítógépeket igényelnek Megoldás A modell a lehető legegyszerűbb legyen! Egyszerű geometria Szimmetria kihasználása A legegyszerűbb és legnagyobb elemek használata 13 14 Post Processing Megjelenítési lehetőségek Az eredmények megadása számértékekkel, vagy táblázatban, esetleg grafikus formában A grafikus megjelenítés szemléletes A programok gyakran többféle megjelenítést kínálnak: Körvonalas ábrázolás Elemenkénti vizsgálat Nyílhegyekkel rajzolás Deformált alak Animáció 15 16 Automatikus hálózás A végeselem modell Erő Kényszer 17 18 3
A végeselem modell részlete Az eredmény A háló sűrítése a feszültségkoncentrációnál Maximális feszültség 19 20 Optimalizálás A FEM és az optimálás Az optimalizálás a geometria, az anyagjellemzők stb. változtatásával keresi a legjobb megoldást Jellegzetes optimálási feltételek: Minimális tömeg Maximális szilárdság Minimális költség stb. A legtöbb rendszer lehetővé teszi a többszörösen ismételt futtatást, a paraméterek változtatásával, a legjobb megoldás érdekében Az optimálás segít az egyestervezésiparaméte rekre való érzékenység megállapításában Például, az előző példában a feszültségcsúcs erősen függ a sarok lekerekítési sugarától 21 22 Dinamikai és rezgés vizsgálat Az elemzés lépései: Sajátfrekvenciák és lengésképek Mozgásegyenletek megoldása Idő vagy frekvencia alapú Elmozdulás, sebesség, gyorsulás ábra Feszültség ábra Egyéb alkalmazások Rétegelt és vegyes (kompozit) szerkezetek Hőátvitel és termál analízis Folyadékok örvénymentes áramlása Műanyagok fröccsöntése 23 24 4
Product Data Management A CAD adatátviteli szabványai (10. előadás) Terméktervezés CAD Semleges I/F Termék információ menedzsment Semleges I/F Gyártás Anyaggazdálkodás Folyamattervezés CAE Termék adatbázis Gyártási adatbázis A CAD adatait az egész folyamat során használják Gyártás, szerelés és ellenőrző műveletek Marketing Vásárló igényei Szállítási menedzsment Ellátás Szállítók Vásárló Bevezetés és elosztás 2 A szállítási lánc A virtuális vállalat A legtöbb termék nagy számú vállalat közötti összehangolt tevékenységet kíván meg a szállítói láncban A szállítási lánc úgy is felfogható, mint egy virtuális vállalkozás A termék adatokat és más információkat meg kell osztani a résztvevő vállalatokkal Beszállítók Vásárlók 3 4 Virtuális vállalat Tipikus helyzet Virtuális vállalat A fő beszállító I-DEAS-t használ A partner Unigraphics-ot Afő vállalat CATIA-t használ Beszállítók Vásárlók Kisebb beszállító AutoCAD-et Kisebb beszállító Solid Edge-et 5 6 1
A probléma Közvetlen fordítás acad rendszerek között Mindegyik CAD rendszer a saját adatformátumát használja A tervezési adatokat át kell konvertálni az egyikformátumból a másikba I-DEAS Unigraphics Minden CAD csomagnak tartalmaznia kell az összes másikhoz fordítót 4 CAD csomagnál ez 6 fordítót jelent 6 CAD csomagnál a fordítók száma már 15! CATIA Pro/Engineer 7 8 i szabványok A probléma megoldása érdekében a CAD adatok cseréjére több szabványt is kifejlesztettek A CAD rendszerek ezen szabványos formátumok egy részét képesek beolvasni, ill. kiviteli formátumként használni Az adatszabványok fejlődési folyamata Interfészek Szabványosítási szervezet CAD/CAD CAD/CAM Nemzeti és európai Nemzetközi ISO IGES PDES ANSI (USA) Termék adatszerkezet PDDI SET AFNOR (France) VDA/FS DIN (Germany) STEP CAD*I ESPRIT (EEC) (Teljes adatmodell) CIM-OSA ESPRIT (EEC) EDIF USA Electronics Industry??? 9 10 Adatszabványok IGES:Initial Graphics Exchange Specification Napjaink gépészeti szabványa PDDI: Product Definition Data Interface aus Air Force fejleszttette ki PDES: Product Data Exchange Specification SET: Standard d Echange et de Transfer francia fejlesztés a CAD/CAM adatátvitelre VDA/FS: Verband der Automobilindustrie német autóipari szabvány, olyan 3D sgörbékre és felületekre, amiket az IGES nem kezel 11 Adatszabványok CAD*I: egy EEC kezdeményezés EDIF:Electronic Data Interface az USA elektronikai iparának CAD szabványa, amely arra törekszik, hogy bekerüljön a PDES be STEP: Standard for Exchange of Product Definition Data nemzetközi szabvány, amelynek jó esélye van az általános elfogadottságra 12 2
A jelenlegi helyzet Az IGES el történő fordítás megbízhatatlan A geometria romolhat Sok utólagos módosítás, rendbetétel szükséges A STEP el való fordítás nem terjedt el széles körben A STEP fordítók csak az utóbbi időben érhetők el A létező átviteli lehetőségek adatvesztéssel működnek a Paramétereknél és kényszereknél Sajátosságoknál és a történet fánál 13 Rövid távú megoldások A probléma megoldása érdekében több vállalat egyetlen CAD rendszert szabványosított Ford Minden beszállító az I DEAS t használja Chrysler Minden beszállító a CATIA t használja General Motors Minden beszállító a Unigraphics ot használja 14 Új probléma a beszállítóknak Ha valaki mindhárom autógyártóval üzleti kapcsolatba akar kerülni használnia kell az I DEAS t, a Unigraphics ot és acatia tis! A kisebb vállalatok ezt nem engedhetik meg maguknak Jobb megoldás megbízható adatátviteli szabványok kifejlesztése, semleges felülettel (neutral interface) Semleges felület CAD 1 CAD 2 CAE 1 CAE 2 Semleges interfész CAPP PP&C CAM CAQ 15 16 Követelmények az Interfész el szemben Legyen képes kezelni az összes gyártási adatot Ne legyen információvesztés (őrizze meg a jelentés tartalmat a konvertálás alatt) A rendszer hatékonyan legyen képes kezelni a gyártás követelményeit A rendszer legyen nyitott, tegye lehetővé a bővítést vagy szűkítést További követelmények A rendszer legyen illeszthető más szabványokhoz Legyen független a számítógép kiépítettségétől Tegye lehetővé hogy a szabványból alkalmazásorientált részleteket lehessen felhasználni, a költségek csökkentése érdekében Az interfész felfele és lefele is legyen kompatibilis Teszteléssel kell ellenőrizni a hatékonyságot 17 18 3
IGES (Initial Graphics Exchange Specification) ASCII fájl formátumú Sok2D sés3d scad entitást tartalmaz 1980 óta számos változat jelent meg Széles körben elterjedt Problémák az IGES el Sok kompatibilitási hiányosság Megbízhatatlan fordítás, főleg bonyolultabb geometria esetén Nincs egyértelmű információ a modellezési alapokról Hiányos támogatás ahasonlóság ellenőrzésben 19 20 STEP (Standard for Exchange of Product Definition Data) A STEP felépítése Egy szabályos modellt használ az adatátvitelre Az információ átadására az EXPRESS nyelvet használja Az EXPRESS apascal, a C, és más nyelvek elemeiből áll Az adattípusok és struktúrák ákdfiiáláá definiálására szerkesztéseket tartalmaz, az adat feldolgozásra viszont nem Az EXPRESS egyértelmű módon írja le a geometriát és egyéb információkat egy szabványban 3. réteg: Alkalmazási protokoll 2. réteg: Erőforrás információs modellek 1. réteg: Megvalósítási módszerek (EXPRESS) Fizikai fájlok sági tesztek enőrzések Hasonlós és elle 21 22 A STEP felépítése A STEP helyzete Bevezetés Leírás módszerek Megvalósítási módszerek Hasonlóság tesztelési módszertan és szerkezet Integrált erőforrások Alkalmazási protokollok Tartalmi teszt sorozat Alkalmazásra értelmezett szerkesztések A STEP et több évig fejlesztették és ez továbbra is folytatódik Több mint egy tucat STEP részletet nemzetköziszabványokként hagytak jóvá Továbbiak állnak fejlesztés alatt 23 24 4
Egyéb szabványok Szabványok műszaki dokumentációkhoz Szabványok képekhez Internet és Web szabványok CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support) Jelentése: Folyamatos beszerzés és életciklus támogatás Az USA Nemzetvédelmi Minisztériuma megbízásából fejlesztettékkiki Formátumokat ír elő műszaki adatok tárolására és cseréjére Középpontban a műszaki publikációk állnak 25 26 Fontos CALS szabványok SGML (Standard Generalized Markup Language) Dokumentum leíró nyelv Elkülöníti a tartalmat a szerkesztéstől (formázás) Címkéket használ a címek, a bekezdések, a fejezetek, stb. megkülönböztetésére té é A HTML is az SGML en alapul CGM (Computer Graphics Metafile) Rajzok és illusztrációk vektoros fájl formátuma IGES Ugyancsak a szemléltetés eszköze 27 Bitképek általános formátumai Szabvány Joint Photographic Expert Group (JPEG) Védjegyek Graphics Interchange Format t(gif) Windows bitmap format (BMP) Zsoft file format (PCX) Tagged Image File Format (TIFF/TIF) Targa file format (TGA) 28 Web és Internet szabványok HTML (Hypertext Markup Language) Web oldalak készítésére használják Az SGML re épül VRML (Virtual Reality Modelling Language) 3D s interaktív környezetek leírására alkalmas szabvány Web böngészővel lehet letölteni és megjeleníteni Alkalmas a CAD adatok közzétételére DXF STL Más CAD fájl formátumok Az AutoDesk (AutoCAD) által kialakított szabvány A sztereolitográfiában használt 3D s bemeneti fájl formátum SAT Az ACIS alapú CAD rendszerek térfogati modellezésre használt fájl formátuma 29 30 5