Công nghệ CAD_CAM

Công nghệ CAD_CAM, Nhiều Tác Giả, PDF, 32 trang, 3 MB

NỘI DUNG:

Giới thiệu về CAD • CAD (Computer-aided Design) CAD/CAM/CNC CAD/CAM/CNC –Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính –Thiết kế ở đây được hiểu là vẽ chi tiết hoặc sản phẩm bằng máy vi tính dưới dạng 2D hoặc mô hình hóa ở dạng 3D Định nghĩa khác về CAD • Computer-aided design (CAD), còn được hiểu là computer-aided design and drafting (CADD) là việc sử dụng máy tính để hỗ trợ việc xây dựng (sáng tạo), chỉnh sửa, phân tích và tối ưu hóa thiết kế. • Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính là quá trình tạo ra các bản vẽ kỹ thuật bằng cách sử dụng các phần mềm máy tính. Computer aided Design is a sub-process of Design process CAD Technology = Design Techniques + Computers (HWare+SWare) Đồ họa máy tính Thiết kế kỹ thuật Mô hình hóa hình học CAD Systems A CAD system consists of three major parts: 1. Hardware: computer and input/output devices. 2. Operating system software. 3. Application software: CAD package. Basic structure of a CAD system Database (CAD Application software model) Graphics utility Devices drivers Input-output devices User interface 07/11/12 1 Kết quả của CAD • Sản phẩm hay còn gọi là đầu ra của CAD sẽ là các file bản vẽ điện tử chứa các dữ liệu về hình học để phục vụ cho việc in ấn bản vẽ hoặc phục vụ việc tạo ra dữ liệu cho quá trình gia công chế tạo • CAD không chỉ bao gồm vấn đề mô tả hình học. Tương tự như các bản vẽ kỹ thuật vẽ bằng tay, đầu ra của CAD còn phải chuyển tải thêm các thông tin khác như vật liệu, kích thước và dung sai Lợi ích của CAD 1. Tăng năng suất thiết kế, – Automation of repeated tasks – Insert standard parts (e.g. fasteners) from database 2. Hỗ trợ việc sửa đổi thiết kế dễ dàng 3. Nâng cao chất lượng và độ chính xác bản vẽ 4. Cải hiện việc trao đổi thông tin, – Giữa các nhóm (kỹ sư) thiết kế, chế tạo và nhà cung cấp – Với các ứng dụng khác như CAM, FEM, CAE – Marketting, trình bày sản phẩm 5. Tạo ra cơ sở dữ liệu phục vụ cho quá trình gia công chế tạo sau này. Ứng dụng của CAD 1. CAD được sử dụng rộng khắp trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm công nghiệp ô-tô, tàu thủy, hàng không, kiến trúc, y học, nha khoa v.v... 2. CAD cũng được sử dụng để sản xuất hoạt hình hoặc các hiệu ứng đặt biệt trong phim ảnh và quảng cáo. Ví dụ về một bản vẽ CAD 2D Ví dụ về các mô hình 3D Các mốc lịch sử quan trọng của các phần mềm CAD thương mại hiện đại • 1981: – Solid modelling packages -Romulus (ShapeData) and Uni- Solid (Unigraphics) – Surface modeler CATIA (Dassault Systemes) • 1982 – Autodesk was founded 1982 by John Walker, which led to the 2D system AutoCAD. • 1988 – Feature-based modeling methods and parametric linking of the parameters of features Pro/ENGINEER • Mid-range packages such as SolidWorks in 1995, Solid Edge (then Intergraph) in 1996 and Autodesk Inventor in 1999. 07/11/12 2 Giai đoạn (pha) thiết kế Các công cụ CAD yêu cầu Thiết kế ý tưởng (phác thảo) Geometric modeling techniques; Graphics aids; manipulations; and visualization Mô hình hóa và mô phỏng Same as above; animation; assemblies; special modeling packages. Phân tích Analysis packages; customized programs and packages. Tối ưu Customized applications; structural optimization. Ðánh giá, thẩm tra Dimensioning; tolerances; BOM; NC. Lập tài liệu (hồ sơ) thiết kế Drafting and detailing... Giới thiệu (định nghĩa) về CAM • CAM (Computer-aided Manufacturing) Gia công, chế tạo, sản xuất có sự trợ giúp của máy tính • Theo nghĩa hẹp và thông dụng nhất, CAM là sử dụng máy tính để điều khiển máy công cụ và các máy móc có liên quan nhằm gia công các chi tiết. • Theo nghĩa rộng, CAM là sự sử dụng hệ thống máy tính để lập kế hoạch sản xuất, quản lý, và điều khiển hoạt động của một nhà máy SX bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp tác động lên các trang thiết bị máy móc trong nhà máy Các công cụ CAD hỗ trợ quá trình thiết kế Định nghĩa khác về CAM • Nếu theo nghĩa hẹp, CAM là một quá trình tiếp nối sau CAD và đôi khi là CAE, khi mà sản phẩm tạo ra từ CAD được phân tích, tính toán, kiểm tra rồi nhập vào các phần mềm CAM, sau đó điều khiển máy công cụ CNC để gia công Các bước trong CAM (theo nghĩa rộng) Mô hình hóa hình học Trao đổi dữ liệu Lập kế hoạch sản xuất Chương trình gia công Kiểm tra Lắp ráp Đóng gói Quy trình chung khi mô hình hóa bằng CAD Một ứng dụng của CAM: Từ mô hình CAD đến sản phẩm trong công nghệ khuôn mẫu Mô hình CAD Tạo lòng khuôn và Phân khuôn Tao đường chạy dao và công ảo nhờ CAM Gia công thật trên máy phay CNC 07/11/12 3 Các phầm mềm CAM thuộc top 10 năm 2010 1. Cimatron (4.1%) with GibbsCAM 2. CNC Software (3.3%) with Mastercam 3. C&G Systems (3.7%) 4. Dassault Systèmes (18%) with CATIA 5. Delcam (7.5%) with PowerMILL 6. Open Mind (3.8%) with HyperMill 7. Planit (6.3%) with Edgecam 8. PTC (4.6%) with Pro/E 9. Siemens PLM Software (12.1%) with NX 10. Tebis AG (4.4%) with Tebis 11. Nguồn: http://www.cimdata.com/news_events/press_release.html?press_release_ID=99 Ðịnh nghĩa CAD/CAM dựa vào cấu thành Mfg tools Design documentation and communication Production planning Design and Process planning procurement of new tools Order materials NC, CNC, DNC programming Analysis The CAD Process Công cụ chế tạo Mạng truyền thông Design needs Design evaluation Networking Typical Product Life Cycle Minh họa Quá trình thiết kế Design definitions, specifications, and requirements Design optimization The CAM Process Production Công cụ thiết kế CAD/CAM tools Mô hình hóa hình học Computer graphics concepts Đồ họa máy tính Design tools Design analysis Packaging Quality control Marketing The Product Cycle and CAD/CAM • Ðể hiểu rõ hơn về phạm vi ứng dụng và định nghĩa của CAD/CAM trong môi trường kỹ thuật, đồng thời xác định các công cụ có liên quan ⇒ ta cần nghiên cứu một chu kỳ sản xuất Geometric modeling điển hình (Product cycle) The Design Process Collecting relevant design information and feasibility study Synthesis Design modeling and simulation The Manufacturing Process Design conceptualization Shipping Sự tích hợp của CAD/CAM • Thiết kế và chế tạo có sự trợ giúp của máy tính CAD-CAM thường được gắn liền với nhau (tích hợp) • The CAM Process is a subset of Manufacturing Process • Integration of CAD and CAM leads to automation 07/11/12 4 NC programs Ưu điểm của các hệ thống CAD/CAM 1. Linh hoạt hơn 2. Rút ngắn thời gian thiết kế + chuẩn bị sản xuất + sản xuất (lead time) 3. Giảm chi phí đầu tư 4. Tăng năng suất 5. Cải thiện dịch vụ khách hàng 6. Tăng chất lượng SP 7. Cải thiện mối giao tiếp với nhà cung cấp phụ tùng Giới thiệu về sản xuất 8. Thiết kế SP tốt hơn 9. Ðiều khiển sản xuất • Sản xuất là biến các chi tiết đã được thiết kế thành sản phẩm vật lý (sản phẩm thật) • Một số tiêu chí để đánh giá quá trình sản xuất: tốt hơn – Chất lượng 10. Hỗ trợ tích hợp • Có đáp ứng yêu cầu kỹ thuật không? 11. Giảm giá thành – Năng suất 12. Giảm số lượng máy công cụ 13. Giảm không gian nhà xưởng • Bao nhiêu sản phẩm được sản xuất trong một đơn vị thời gian? – Giá thành • Giá của mỗi sản phẩm • Số tiền đầu tư cho máy móc và trang thiết bị dụng cụ? – Độ linh hoạt • Chúng ta có thể sản xuất sản phẩm nào khác với trang thiết bị hiện có? • Mất bao nhiêu thời gian để tái cơ cấu lại quy trình sản xuất? Sơ đồ của một nhà máy đơn giản Nguyên vật liệu Năng lượng Phụ tùng cung cấp Lao động Vốn Implementation of a Typical CAD Process on a CAD/CAM system Phác họa hình dáng Chuyển đổi phác họa Mô hình hình học Phân tích Bản vẽ chi tiết Tài liệu thiết kế Trao đổi dữ liệu và giao tiếp giữa các mô-đun Thay đổi thiết kế To CAM Process Phế phẩm Chất thải Sản phẩm đạt yêu cấu Implementation of a Typical CAM Process on a CAD/CAM system Mô hình hình học Trao đổi dữ liệu và gia tiếp Lập kế hoạch sản xuất Kiểm tra Lắp ráp Ðóng góp Giao hàng đến thị trường 07/11/12 5 Đồ họa véc-tơ • Ảnh vector khi zoom to không bị nứt nét hoặc nhòe và không ảnh hưởng đến kích thước của file dữ liệu bởi vì các thông tin được lưu dưới dạng cấu trúc chứ không phải điểm ảnh như đồ họa mành (raster graphics) • Khi in ấn, các file đồ họa vector được in dưới dạng ảnh bitmap sau khi chuyển từ dạng vector sang bitmap. • Các phần mềm CAD đều dùng đồ họa vector Khái niệm ĐỒ ĐỒ HỌA HỌA VI VI TÍNH TÍNH Computer graphics 1. Đồ được tác họa và tạo biểu máy bởi diễn tính máy dữ (Computer tính, liệu nói ảnh cách bằng Graphics khác máy là ) tính là sự đồ thao họa 2. Đồ máy phương tính họa thông tính máy thức và qua các tính tương màn kỹ là thuật một hình. tác khoa giữa khác con học cung người liên cấp ngành một và máy 3. Đồ hình mang phong họa 2 lại chiều, cảnh, máy sự biểu tính hoạt 3 chiều, diễn liên hình, quan phối trực mô quan cảnh đến phỏng việc và các và tô tạo vật thực bóng các thể, tế để mô ảo. Các kỹ thuật đồ họa • Đồ họa véc-tơ (vector graphics) • Đồ họa mành (raster graphics) Đồ họa véc-tơ • Đồ họa vector sử dụng các đối tượng hình học cơ bản như điểm, đường thẳng, đường cong hoặc đa giác, đường tròn, elip dựa vào các công thức toán học để biểu diễn hình học. • Đồ họa vector dựa trên các hình ảnh được tạo bởi các vector (còn được gọi là các đường hoặc nét) được định nghĩa bằng các điểm điều khiển. Mỗi điểm đều có tọa độ x và y trên mặt phẳng làm việc và hướng của vector (còn gọi là track). Mỗi track có thể được gán cả màu sắc, hình dáng, độ dày nét và nền tô bên trong hình. Ví dụ về thông tin để vẽ hình tròn For example, consider a circle of radius r. The main pieces of information a program needs in order to draw this circle are 1. an indication that what is to be drawn is a circle 2. the radius r 3. the location of the center point of the circle 4. stroke line style and color (possibly transparent) 5. fill style and color (possibly transparent) 07/11/12 1 Đồ họa mành (raster graphics) • Ảnh là trong điểm này thiết phương tập có đồ bị ảnh khung hợp thể như họa tiện trong một nhìn mành, màn lưới biểu ma thấy một pixel hình, diễn còn trận hình được hay hình giấy gọi điểm chữ còn là thông hoặc ảnh ảnh biểu nhật. gọi khác. các qua bitmap, diễn và Ảnh các các • Ảnh nhiều jpeg, vector tga, định tiff, dạng chứa png... khác trong nhau các file như ảnh bmp, với rất • Thuật tinh dụng điện vẽ chùm trường. bằng có tử cho điện ngữ nghĩa CRT cách cách raster tử của là quét điều quét quét, màn xuất từng khiển ảnh hình có phát đường của nguồn (lái) CRT. từ ống bằng tiếng Ảnh thẳng gốc phóng từ áp được La- các Ưu điểm của đồ họa vector so với đồ họa mành 1. Dung lượng của file ảnh vector nhỏ hơn dung lượng của file ảnh bitmap. 2. Khi zoom to ảnh với tỉ lệ rất lớn, độ nét và độ trơn tru của các đối tượng như đường thẳng, cung tròn vẫn được giữ nguyên. Độ dày nét của các đường không tăng lên một cách tỉ lệ khi zoom to 3. Các tham số của đối tượng ảnh có thể chỉnh sửa sau này (dễ dàng thực hiện các thao tác di chuyển, tỉ lệ, xoay và tô màu) 4. Với ảnh phối cảnh 3D, tô bóng bằng ảnh vector cho hình ảnh chân thực hơn Phương Phương pháp pháp vẽ vẽ đường đường thẳng thẳng trong trong đồ đồ họa họa máy máy tính tính Thuật toán đồ họa DDA (Digital differential analyzer) • Trong đồ họa máy tính, phần cứng hoặc phần mềm thực hiện phép phân tích vi phân số DDA được dùng để nội suy tuyến tính và biểu diễn đoạn thẳng cho bởi điểm đầu và điểm cuối. • Cách đơn giản nhất của thuật toán DDA nội suy tuyến tính (x = and end x i−1 , Δy +1/m, y end = các giá trị trong khoảng )] bằng cách y end y i − = y y start i−1 + m, tính trong x i trong phương [(x start , y start trình ), đó Δx = x end − x start x i và m = Δy/Δx Thuật toán DDA Y P end P start X start X end X Một đường thẳng có thể biểu diễn bằng phương trình: Y end ∆Y y = mx + c (1) Trong đó hệ số góc m = Và hằng số c = y s – mx s yy e − s (2) xx (3) e − s Y start Trong thực tế nội suy sử dụng phần cứng, người ta không dùng 3 phương trình trên mà ∆X dùng thuật toán DDA. Thuật toán phân tích vi phân số DDA cho phép tốc độ tính toán rất nhanh Vi phân phương trình (1) ta được: dy = m dx, thuật toán DDA như sau: Xét đường thẳng có hệ số góc m dương và m<1 .="" a="" c="" ch="" dx="1," gi="" k="" l="" li="" m="" n="" nh="" p:="" t="" ti="" tr="" tu="" u="" y="">1, đảo ngược vai trò của x thành y, chọn dy=1, khi đó x k+1 = y k Khi tính = x k +1/m toán, các giá trị của x và y được làm tròn thành số nguyên vì tọa độ pixel không thể là số lẻ thập phân. Ví dụ DDA • Nội suy một đoạn thẳng có: – Điểm bắt đầu (10,20)mm – Điểm kết thúc (100,80) mm Biểu diễn đoạn thẳng này trên một màn hình có kích thước 300x250mm có độ phân giải là 640x480 pixel Giải: Tính hệ số phóng đại (hoặc thu nhỏ) theo phương x và y: x s = 640/300 = 2.133 pixel/mm y s = 480/250 = 1.920 pixel/mm Để biểu diễn được toàn bộ đường thẳng trong màn hình, chọn độ phóng đại bé 1.920 pixel/mm - Chuyển tọa độ điểm đầu và điểm cuối của đoạn thẳng thành tọa độ pixel - Điểm đầu: (10*1.92,20*1.92) = (19,38) - Điểm cuối: (100*1.92,80*1.92) = (192,154) - Tính ∆x = 192 -19 =173 - Tính ∆y = 154 -38 = 116 - Tính m = ∆y/∆x = 116/173 = 0.671 - Vì m < 1 nên chọn gia số dx =1 và áp dụng công thức y k+1 = y k +m (Ta có thể lập bảng tính, cho x lần lượt tăng 1 đơn vị và tính lần lượt y k 07/11/12 2 Các thuật toán đồ họa khác thay thế cho DDA • Bresenham's line algorithm is an algorithm for line rendering. • Xiaolin Wu's line algorithm is an algorithm for line anti-aliasing Hiệu ứng bậc thang Các thuật toán nội suy và điểm hóa tính toán vị trí các pixel theo cách làm tròn thành số nguyên. Do đó các đường nghiêng sẽ bị hiệu ứng bậc thang. • Hiệu ứng càng rõ khi đường nghiêng có góc nghiêng bé. • Độ phân giải màn hình càng lớn thì hiệu ứng càng ít. Hiển thị đường thẳng theo pixel gây nên hiện tượng một đoạn thẳng có chiều dài bằng nhau có thể biểu diễn bằng số pixel khách nhau, hoặc ngược lại, với cùng một số lượng pixel có thể biểu diễn các đoạn thẳng có chiều dài khác nhau tùy theo góc nghiêng của chúng Cách khử hiệu ứng bậc thang • Nếu so sánh diện mạo của một đường thẳng như nhau vẽ trên AutoCAD và vẽ trên MS Word hoặc Power point thì chúng hoàn toàn khác hẳn về hiệu ứng bậc thang. • Để làm giảm hiệu ứng bậc thang người ta dựa vào lý thuyết lấy mẫu và làm mờ một số pixel ở vùng biên tiếp giáp giữa màu nền và màu của đường. Anti-Aliasing • Giả sử khi zoom to một đoạn thẳng, độ rộng của nét cũng thay đổi. Hình dáng lý tưởng của đoạn thẳng là một hình chữ nhật hẹp nằm nghiêng như hình vẽ. Các pixel nào nằm trong hình chữ nhật ấy sẽ có màu đậm, cắt hình chữ nhật sẽ bị làm nhạt màu (thay đổi độ transparent) và ngoài hình chữ nhật thì không có màu (trùng màu nền) • Làm giảm hiệu ứng bậc thang đòi hỏi việc tính toán nhiều hơn. Ví dụ tính toán x y tính toán y làm tròn 19 38.671 39 20 39.341 39 21 40.012 40 22 40.682 41 23 41.353 41 24 42.023 42 25 42.694 43 26 43.364 43 ... ... ... Lưới pixel 43 42 Đoạn thẳng được biểu 41 diễn (đoạn đầu) 40 39 19 20 21 22 23 24 25 26 Khi nào pixel màu đậm nhất, khi nào màu xám, khi nào nhạt nhất? Phương pháp vẽ đường tròn Phương pháp vẽ đường tròn trong đồ họa máy tính trong đồ họa máy tính 07/11/12 3 Thuật Đường tròn toán dựa vào công thức toán của đường tròn, theo tọa độ Đề-các • Đường tròn là một đối tượng quan trọng trong đồ họa vi tính không kém vai trò của Gọi tròn, x c phương và y c là tọa trình độ đường của tâm tròn của bán đường kính r là: đường thẳng • Một số thuật toán để vẽ đường tròn: – Dựa theo công thức toán biểu diễn đường tròn – Thuật toán Bresenham c 2 Công thức này sử dụng bình phương và căn bậc hai để tính tọa độ các điểm trên đường tròn. Thuật toán dựa vào công thức toán của đường tròn, theo tọa độ cực • Polar coordinates • Symmetry of circles • Tất cả các thuật toán trên đòi hỏi thời gian tính toán lớn do các phép toán căn bậc hai hoặc lượng giác -(x +)x c 2 y-(y c r=) 2 2 cho x chay tu r+xdenr-x c c )x-(x-r±y=y c 2 Thuật toán vẽ đường tròn Midpoint hoặc Bresenham (born 11 October 1937 Clovis, New Mexico) Nguyên lý của thuật toán midpoint hoặc thuật toán Bresenham là: 1. Vẽ đường tròn ở góc phần tám (octant) =x r+x c cos(angle) thứ nhất có tâm tại (0,0), 2. Sau đó tìm các góc phần tám còn lại y=y c r+ sin(angle) bằng phép đối xứng 3. Cuối cùng dịch chuyển đường tròn đến (x c , y c ). The circle function is the decision parameter. Calculate the circle function for the midpoint between two pixels. Thuật toán Bresenham Ví dụ về thuật toánBresenham (thực hiện trên Matlab) 1. Nhập bán kính r, tâm (x c , y c ), 2. đầu tiên trên Calculate the đường initial value tròn of có the tọa sau decision độ đó (x xác o , y định 0 parameter ) = (0, một r). điểm as 3. p Tại 0 = mỗi 5/4 – x k r , từ k=0, (1 thực – r if hiện an integer) các phép thử sau: - tròn + Nếu 1 có p k tâm <0 -="" 1="" 2="" c="" i="" k="" kh="" l="" m="" n="" ng="" p="k" t="" theo="" ti="" tr="" u="" v="" x="" y="">0), p k + điểm tiếp theo cần vẽ là: 2 x k+1 + 1 -2 y k+1 trong đó: 2 x k+1 = 2 x k + 2, và 2 y k+1 = 2 y k – 2 Xc=10; yc =5; r =30 Xc=10; yc =5; r =50 07/11/12 4 Vẽ ellip 1. The ellipse is a variation of a circle. Stretching a circle in one direction produces an ellipse. 2. The polar equations for an ellipse with centre at X C , Y C are: • X=X C + a * cos (θ) • Y=Y C + b * sin (θ) 3. The above equations can be used to plot an ellipse in a manner similar to that of generating a circle. Hệ tọa độ người dùng (use co-ordinate system –UCS) • Ngoài hệ tọa độ toàn cục, các hệ thống CAD còn cho phép người dùng định nghĩa các hệ tọa độ người dùng để dễ dàng vẽ các mô hình mà không cần tính toán lại vị trí tọa độ so với hệ tọa độ toàn cục • Ví dụ khi muốn vẽ một hình trụ có bán kính r và chiều cao trên một mặt bên của một hình khối lập phương, cách tiện lợi nhất là sử định nghĩa một hệ tọa độ người dùng có tâm nằm ở mặt bên, trục x và y nằm trong mặt phẳng đó Vẽ ellip 4. Determine symmetry points in the other seven octants. 5. Move each calculated pixel position (x, y) onto the coordinate circular values: path centered at (x c , y c ) and plot the x = x + x c , y = y + y c 6. Repeat steps 3 through 5 until x >= y. Các hệ tọa độ • Hệ tọa độ toàn cục (world co-ordinate system -WCS) • Hệ tọa độ người dùng (use co-ordinate system -UCS) Hệ tọa độ toàn cục (World co-ordinate system –WCS) 1. Hệ tọa cho Đôi tọa ordinate tọa độ độ khi tất gốc mô độ nó cả system các WCS còn hình dùng loại được được (model ). làm tọa gọi gốc gọi độ co- là là vị khác. hệ trí hệ 2. Hệ Đề-các. tọađộ WCS là hệ tọađộ 3. Người độ Tuy chuyển thành liệu. cực, nhiên tọa sử các tọa dụng độ phần loại độ Đề-các trụ, có tọa mềm thể tọa độ khi sẽ dùng này độ lưu cầu. tọa dữ WCS UCS Cấu trúc cở sở dữ liệu cho đồ họa máy tính Ba mô hình cơ sở dữ liệu thông dụng nhất: 1. Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ 2. Mô hình cơ sở dữ liệu phân cấp 3. Mô hình cơ sở dữ liệu mạng 07/11/12 5 Cơ sở dữ liệu quan hệ Dữ liệu biểu diễn quan hệ được lưu trữ trong các file truy xuất ở dạng tuần tự. Ví dụ đối tượng trên hình bên được mô tả bằng ba quan hệ: • Điểm (biểu diễn tọa độ các đỉnh) • Đường (chỉ ra nhưng đỉnh là điểm cuối của đường) • Mặt (chỉ ra các cạnh giới hạn một mặt) Cơ sở dữ liệu mạng • Có mối quan hệ many-to-many giữa các phần tử. Phần tử ở mức dưới có thể liên kết với nhiều phần tử ở mức trên Cấu trúc dữ liệu cơ sở cho đồ họa 1. Các mảng tĩnh (static aray) 2. Các dạng dữ liệu có cấu trúc (struct của C, record của pascal) 3. Con trỏ (pointer) 4. Danh sách liên kết (cấu trúc dữ liệu động cho phép phát triển lớn thêm hoặc thu nhỏ) 5. Cấu trúc cây: cây tổng quát, cây nhị phân, cây tứ phân Ví dụ về cấu trúc cây nhị phân trong mô tả hình học khối rắn cấu trúc CSG Cơ sở dữ liệu phân cấp • Là cấu trúc dạng cây gồm nhiều phần tử có thứ bậc gọi là nút. • Đỉnh cây gọi là nút gốc, sự phân cấp tính từ nút này trở xuống tạo thành các mức khác nhau 07/11/12 6 Tiêu Các tiêu chuẩn đồ họa chuẩn trao đổi dữ liệu Graphics Standards graphics data exchange Có rất nhiều tiêu chuẩn đồ họa được sử dụng. Vấn đề sử dụng tiêu chuẩn nào phụ thuộc vào tính tiện lợi và sự độc lập của thiết bị. 1. BGI (Borland graphics interface, 1987) 2. GKS (graphics kernel system, the first ISO standard for low-level computer graphics, introduced in 1977) • Để các phần mềm CAD khác nhau có thể giao tiếp và trao đổi dữ liệu hình học lẫn nhau, việc này đòi hỏi phải sử dụng các chương trình biên dịch giữa các phần mềm với nhau ⇒ sự phức tạp ⇒ Các phần mềm CAD hiện nay sử dụng các 3. PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) is an API standard for rendering 3D computer graphics, at one time considered to be the 3D graphics standard for the 1990s ) chương trình tiền xử lý (preprocessor) để chuyển dữ liệu CAD của mình thành các file trung hòa 4. OpenGL (Open Graphics Library developed by Silicon Graphics Inc. in 1992 and is widely used in CAD, virtual reality, scientific visualization, information visualization, flight simulation, and video games) (neural file) và ngược lại cũng có thể chuyển các file trung hòa thành dạng dữ liệu CAD của mình IGES • The eye-jess) that aided Initial allows design is Graphics a the file (CAD) digital format systems. Exchange exchange which Specification defines of information a vendor (IGES) among neutral (pronounced Computer- data format • The Communication January, 80-1978. Standards ASME approved official Y14.26M, 1980 Many IGES MIL-PRF-28000[1] title by Version documents of of the the IGES Product designation U.S. 1.0. is National Digital (like Definition and early MIL-STD-1840[2]) of Representation Bureau the versions Data, ANSI of first committee Standards of the published for referred Defense as that NBSIR to in it as • Using form modeling traditional manufacturing of IGES, circuit representations. engineering a CAD diagrams, functions. user can drawings, wireframe, Applications exchange models freeform product supported for analysis, data surface by models IGES or and solid other in include the History • The IGES project was started in 1979 by a group of CAD users and vendors, including Boeing, General Electric, Xerox, Computervision and Applicon, with the support of the National Bureau of Standards (now known as NIST) and the U.S. Department of Defense (DoD). The name was carefully chosen to avoid any suggestion of a database standard that would compete with the proprietary databases then used by the different CAD vendors. File format • An a Text number letter (this the problems mainframes EBCDIC-ASCII wrong causing record IGES Fortran strings is "H", character, the a file of length misread. with followed text characters are language). is used translators composed IBM string represented derived or EBCDIC mainframe by improperly format in Early the from the would of encoding text 80-character IGES in string, used the "Hollerith" computers string, set either punched translators in followed the for early e.g., substitute text, Parity ASCII format, versions card because "4HSLOT" and by had bit, records, era. the some the the of the 07/11/12 7 • The Directory indicated column information sections; (the multiple Parameter a file.[ more file Directory human-readable is 73. record, one by Entry, divided Data, The for the in Entry, an characteristics Parameter a comma characters or into two entity PD or record, 5 Section), DE sections: delimited representation is Section), Data, split S, G, fixed-length and between as D, and Start, format can geometric P, the Terminate or be Global, other T of two in (the seen format the in in a STEP (ISO 10303) • ISO 10303 is an ISO standard for the computer-interpretable representation and exchange of product manufacturing information. Its official title is: Automation systems and integration — Product data representation and exchange. It is known informally as "STEP", which stands for "Standard for the Exchange of Product model data". ISO 10303 can represent 3D objects. • The that of of exchange, databases a this International product, is capable description but and independent also archiving. of describing standard's makes as a basis it from suitable product objective for any implementing not particular data is only to throughout provide for system. and neutral a sharing mechanism the The file life nature product cycle • Typically Computer-aided Product addressing Geometric manufacturing, industries ship, oil and Data STEP such dimensioning product gas, Management/EDM can as with manufacturing, process automotive, be data additional used from and plants to tolerancing, exchange mechanical aerospace, information and Computer-aided and others. other data and analysis building CAx specific between electrical systems. engineering, and construction, to CAD, various design, STEP is History of STEP • The development and single, Model, and complexity, that 1994/95 standards AP design supported 201 evolution VDA-FS.[1] application can complete, is and which be ISO still (IS) by developed, the AP published one many of with shall of The 203.[4] standard information STEP STEP of implementation-independent initial the be CAD the started Today can the parts the balloted most systems plan had be Master initial models".[2] AP 1, divided in to important was 11, 203 1984 be and for release Record that 21, broken Configuration approved import into as 31, "STEP But a parts of of four successor 41, up because and the STEP shall into 42, of release separately.[3] Product integrated export. STEP as 43, controlled smaller be of international of 44, based and phases. IGES, the Information 46, parts topical In on SET 101, 3D The one Danh sách file format của các phần mềm CAD thông dụng 1. 3dxml – Dassault Systemes graphic representation 2. ART – ArtCAM model 3. ASC – BRL-CAD Geometry File (old ASCII format) 4. ASM – Solidedge Assembly, Pro/ENGINEER Assembly 5. BIN, BIM – Data Design System DDS-CAD 6. CATDrawing – CATIA V5 Drawing document 7. CATPart – CATIA V5 Part document 8. CATProduct – CATIA V5 Assembly document 9. CATProcess – CATIA V5 Manufacturing document 10. DWG applications – AutoCAD and Open Design Alliance 07/11/12 8 Danh Danh sách file format của các phần sách file format của các phần mềm CAD thông dụng mềm CAD thông dụng 11. DFT – Solidedge Draft 18. IAM – Autodesk Inventor Assembly file 12. DGK – Delcam Geometry 13. DMT – Delcam Machining Triangles 14. DXF – ASCII Drawing Interchange file format – AutoCAD 15. DWF – AutoDesk's Web Design Format; AutoCAD & Revit can publish to this format; similar in concept to PDF files; AutoDesk Design Review is the reader 16. FM – FeatureCAM Part File 17. GLM – KernelCAD model 19. IDW – Autodesk Inventor Drawing file 20. IGES – Initial Graphics Exchange Specification 21. IPN – Autodesk Inventor Presentation file 22. IPT – Autodesk Inventor Part file 23. model – CATIA V4 part document 24. PAR – Solidedge Part 25. PRT Pro/ENGINEER – NX (recently Part, known CADKEY as Unigraphics), Part 26. PSM – Solidedge Sheet 27. PSMODEL – PowerSHAPE Model Danh sách file format của các phần mềm CAD thông dụng 28. RLF – ArtCAM Relief 29. SLDASM – SolidWorks Assembly drawing 30. SLDDRW – SolidWorks 2D drawing 31. SLDPRT – SolidWorks 3D part model 32. STEP – Standard for the Exchange of Product model data 33. STL systems – Stereo and Lithographic stereo lithographic data format printing used machines. by various CAD 34. TCW – TurboCAD for Windows 2D and 3D drawing 35. UNV Software) – I-DEAS I-DEAS (Integrated Design and Engineering Analysis 36. WRL systems VRML – models Similar and 3D to on printing STL, the web. but rapid includes prototyping color. Used machines. by various Also CAD used for 07/11/12 9 Mô hình mặt • Mô hình mặt được sử dụng phổ biến trong thiết kế các sản phẩm thuộc ngành hàng không và ô-tô. • Mô hình được biểu diễn bằng các bề mặt, và mặt được biểu diễn bằng các cạnh (edges) và các đỉnh (vertex) Các loại mô hình mặt 1. Mô hình mặt sơ cấp (primitive) 2. Mô hình mặt cơ bản (basic surface) 3. Mô hình mặt phức tạp (advanced surface) 4. Mô hình mặt ghép từ các ô lưới tam giác hoặc tứ giác (facets) Mô hình mặt sơ cấp • Các loại mặt sơ cấp trong mô hình mặt là: (box, pyramid, wedge, dome, sphere, cone, torus, dish and mesh) • Các mặt sơ cấp có thể dễ dàng mô tả bằng các công thức toán học sơ cấp cơ bản Các kỹ thuật mô hình hóa hình học (geometric modeling techniques) •Mô hình khung dây (wire frame) •Mô hình mặt (surface model) •Mô hình khối rắn (solid model) Surface Representation Mô hình khung dây • Mô hình chỉ được biểu diễn bằng các cạnh viền • Mô hình này thường xuất hiện trong các phần mềm CAD thế hệ đầu • Khó quan sát và dễ nhầm lẫn đối với các chi tiết phức tạp Phương trình toán của một số mặt sơ cấp • Mặt cầu ( xx =−+−+− c () 2 yy c () 2 Rzz c ) 2 2 Với mặt cầu có tâm tại gốc, phương trình tham số là: ax = sin θφ cos │ ⎩ az cos θ (0 ≤ φ ≤ 2π, 0 ≤ θ ≤ 2π và a là khoảng cách từ gốc tọa độ đến tâm mặt cắt) • Mặt xuyến: │ ⎩ • Mặt côn: , dạng tham số ⎧ │ ⎨ ay = sin θφ sin = ⎧ │ ⎨ θφ bax += ( cos)cos bay += ( sin)cos θφ bz = sin φ x 2 a 2 =−+ b y 2 2 z 2 c 2 0 ⎧ │ ⎨ │ ⎩ ν aux = cos auy = sin ν uz = 07/11/12 1 Mặt Cone • Trong trường hợp tổng quát, mặt cơ sở của mặt côn là một ellipse, trường hợp đặc biệt là đường tròn. • The geometry of a cone is defined by a base ellipse and the sine and cosine of the major half-angle of the cone. • The normal of the base ellipse represents the axis of the cone. • Mặt trụ là một trường hợp đặc biệt của mặt côn. Plane • A plane is an infinite surface that is perfectly flat. Can be infinite or a bounded region • A plane is defined by a point and a normal vector. The parameterization of a plane is defined by two additional parameters: a vector perpendicular to the normal that specifies the u-parameter direction and scaling, and a flag that specifies whether the parameterization of the plane is right-handed or left-handed. Mô hình mặt cơ bản 1. Là các mô hình mặt được tạo ra bằng các phép quét hình cơ bản như phép xoay (revolve), phép đùn (extrude, rule) và quét (sweep) theo đường dẫn. Đối tượng 2D được quét theo một quỹ đạo nào đó không trùng mới mặt phẳng chứa đối tượng 2D Mô hình mặt cơ bản 2. Mô hình mặt có thể được tạo ra bằng các ghép các mặt đa giác 3. Hoặc dùng các kỹ thuật mô hình sử dụng các đường cong phức tạp như B-splines hoặc NURBS (sẽ học sau) Các phép quét hình để tạo mô hình mặt cơ bản 1. Phép xoay (revolve) 2. Phép đùn (extrude) 3. Quét theo đường dẫn (sweep) Torus (mặt xuyến) • Torus is a surface of revolution generated by revolving a circle in three dimensional space about an axis coplanar with the circle. AutoCAD Pro/Engineer 07/11/12 2 Không làm trơn Mặt đùn (Extrude) Hướng đùn Mặt trùm từ các tiết diện nằm trong các mặt phẳng song song Vẽ mô hình mặt cơ bản trong Pro/E Datum point Datum curve 3 Datum curve 2 Datum curve 1 Đường dẫn Mặt cắt 2D Kết quả Đường dẫn Mặt cắt 2D Vẽ mô hình mặt trong ProE Mặt trùm (Blend) Đường dẫn Làm trơn Không làm trơn Làm trơn Datum Datum curve curve 4 4 Datum curve 5 Boundaries blend Blended Surf 120 60 Đối tượng 2D 80x8 0 Goác xoay Truïc Z R1=100 70x7 0 60x6 R4=160 600 R3=140 0 R2=120 600 50x5 0 Trục quay Đối tượng 2D Sau khi Smooth Mặt trùm từ các tiết diện xoay Mặt tròn xoay (Revolve) Vẽ mô hình mặt trong Pro/Engineer Mô hình mặt nâng cao (mặt phức tạp) • Mô hình mặt nâng cao dựa trên các phép quét hình phức tạp hoặc tạo các mặt cong Bezier, mặt cong B-Spline, mặt cong NURBS từ các ma trận điểm. Duøng ñeå taïo ra maët cong ñi qua hai ñöôøng bieân ñoái dieän vaø moät ñöôøng ñieàu khieån ôû giöõa. Datum curve 1 Conic Surf (mặt conic) Datum curve 2 Datum curve 3 Mặt quét theo đường dẫn 07/11/12 3 Lưới thô (coarse mesh) Lưới mịn (fine mesh) Lưới trung bình (medium mesh) Trong công nghệ tạo mẫu nhanh, dạng chuẩn của file CAD được định dạng ở dạng STL (stereo lithography), để kết nối giữa phần mềm CAD và máy tạo mẫu 3D. Các file STL xấp xỉ các bề mặt của vật thể (thường được vẽ bằng mô hình mặt cong NURBS) thành các lưới tam giác hoặc tứ giác. Độn mịn của lưới càng cao thì độ chính xác so với mô hình gốc càng cao. Mặt cong tự do được xây dựng trên cơ sở của các đường cong tự do như Spline, Bezier, NURBS (sẽ học sau) ứng dụng mặt nâng cao để mô hình hóa một Approx Blend (mặt xấp xỉ) sản phẩm PET đựng nước giải khát Mặt cong tự do (sculptured) CAE simulations then break down this NURBS representation into facets by a process known as meshing. The mesh (or grid) is then used as the basis to perform simulations such as Computational Fluid Dynamics (CFD) and finite element analysis (FEA). Facets modeling Datum curve 3 Datum curve 1 Datum curve 2 Approx curve 3 Mặt ô lưới đa diện (facets) • Facets Versus NURBS • Faceted models consist of groups of polygons (often triangles). In contrast, most Computer-Aided Engineering (CAE) models originate from Computer- Aided Design (CAD) systems which typically use continuous surface and edge definitions based on NURBS. Ưu nhược điểm của mô hình mặt • Ưu điểm 1. Trực quan hơn mô hình khung dây. 2. Có thể tô bóng. 3. Có thể phân biệt được các phần tử đặc biệt trên mặt như các lỗ trống. 4. Xác định được giao của các bề mặt. 5. Có thể thực hiện các phép tính toán về diện tích. 6. Có thể dùng làm dữ liệu để lập trình CAM thực hiện gia công phay mặt cong đó bằng máy CNC. • Nhược điểm 1. Chỉ mô tả lớp biên của đối tượng, không có thuộc tính bên trong. 2. Nếu dùng mô hình mặt để vẽ tất cả các mặt bao của vật thể rồi tạo thành khối rắn thì tốn nhiều thời gian hơn so với sử dụng mô hình khối rắn. 3. Phức tạp hơn mô hình khung dây, lượng dữ liệu lớn hơn. R1 .5 R 5 07/11/12 4 Đặc tính và ứng dụng của CSG 1. CSG được dùng khi mô tả các mô hình khi mà độ chính xác của mô hình là yêu cầu quan trọng. 2. CSG rất phổ biến vì khá đơn giản khi xây dựng mô hình, một mô hình phức tạp có thể được xây dựng từ các vật thể đơn giản. 3. Nếu các vật thế được tham số hóa (có thể thay đổi kích thước và vị trí), người thiết kế dễ dàng thay đổi vị trí, kích thước và các phép toán đại số Boole để có được mô hình mới. Đặc tính và ứng dụng của CSG 4. Ưu điểm của CSG là luôn luôn đảm bảo mô hình thực sự là đặc (solid), hay còn được hiểu là "kín nước". Điều này quan trọng đổi với một số yêu cầu trong chế tạo và phân tích tính toán mô hình 5. Ưu điểm nữa của CSG là dễ dàng xác định một điểm bất kỳ cho trước có nằm trong hay nằm ngoài khối rắn. Điều này rất cần thiết đối với các bài toán về kiểm tra sự va chạm của các vật thể. Cấu trúc của mô hình khối rắn theo CSG Mô hình khối rắn • Phần lớn các phần mềm CAD sử dụng 2 phương pháp mô hình hóa khối rắn: 1. Mô hình khối rắn theo phép đại số Boole (CSG – Contructive solid geometry) 2. Mô hình khối rắn theo mặt biên kín (Boundary representation) 3. Mô hình Hybrid (dùng cả CSG và B-rep) Phép hội (∪), tức phép cộng Phép trừ (-) Mô hình khối rắn theo CSG Phép trừ (-) Phép giao(∩) để lấy phần chung của 2 vật thể Mô hình khối rắn theo phép đại số Boole (CSG) • Vật thể được xây dựng trên cơ sở phối hợp các khối rắn cơ bản như hộp, cầu, xuyến, tứ diện, chêm, côn... • Các phép toán đại số Boole như phép hội (∪), giao (∩) và phép trừ (-) được dùng để thao tác loại mô hình này •Các vật thể CSG thường được cấu trúc theo mô hình cây nhị phân •Các lá là các khối rắn cơ sở và các nút là các phép toán đại số Boole 07/11/12 5 Hình học tô-pô (topology) • Hình học tô-pô là một nhánh của lĩnh vực toán học nghiên cứu về tính bảo toàn các thuộc tính của đối tượng khi làm biến dạng, xoắn hoặc kéo dãn đối tượng. • A circle is topologically equivalent to an ellipse (into which it can be deformed by stretching) and a sphere is equivalent to an ellipsoid Element Definition Body Bậc cao nhất của mô hình vật thể Face Là một phần của surface được bao quanh bởi một tập hợp các loop. Loop Là một chuỗi các coedge nối với nhau. Nói chung, loop là kín, không có khái niệm điểm đầu điểm cuối. Coedge Đại diện cho cách dùng của một edge của một face Edge Là một phần của curve giới hạn bởi các vertices. Vertex Là biên của một edge. A Vertex tương ứng với một point trong không gian 3D. Face • A face is a region on a single geometric surface. • Multiple faces can exist on the same surface. Menu vẽ các khối rắn cơ bản Mô hình CSG trong Auto CAD Các phép toán thao tác trên khối rắn Topology element Mô hình khối rắn theo mặt biên kín (Boundary representation B-rep) • Vật thể được xây dựng từ tập hợp các mặt biên tạo thành một không gian kín • Các đối tượng tạo nên B-rep bao gồm: – Các đối tượng hình học – Các đối tượng topology Surface • Surfaces can be planar, cylindrical, conical, spherical, toroidal, or sculptured. Cylindrical and conical surfaces can be circular or elliptical. Một số phần tử thuộc topology 07/11/12 6 vertex • Vertex là thực thể topology (entity) không có chiều (0- dimensional) dùng để giới hạn các edge. Nói chung, một edge được giới hạn bởi 2 vertex như hình vẽ bên. • Nếu edge kín, cả hai đầu của edge bị giới hạn bởi cùng mộ vertex. • Cũng có trường hợp một edge có chiều dài bằng không, gọi là null edge, chỉ bị chặn bởi một vertex Edge (cạnh) • Edge là một phần tử topology 1-D có thể dùng để tạo thành đường bao của face. Edge do curve tạo thành và bị giới hạn bởi 2 vertex • Nhiều edge có thể tồn tại trên cùng một curve, tuy nhiên hai edge trên cùng một body không thể được chồng lên nhau. A non-manifold object Một số ví dụ về non-manifold Topology element Topology element Khái niệm về manifold và non- manifold • Mỗi điểm trên biên của một khối rắn manifold solid sẽ chia không gian mô hình ra hai phần: miền trong khối rắn và miền ngoài khối rắn. Nếu tồn tại một điểm trên biên không thỏa mãn điều kiện này thì khối rắn đó được coi là non- manifold tại điểm đó. • Nói cách dễ hiểu hơn: Manifold có nghĩa là vật rắn đó có thể gia công chế tạo được. Ngược lại, Non- Manifold thì không Lịch sử của mô hình B-rep • The basic method for BREP was developed independently in the early 1970s by both Ian C. Braid in Cambridge (for CAD) and Bruce G. Baumgart at Stanford (for computer vision). • Braid continued his work with the research solid modeller BUILD which was the forerunner of many research and commercial solid modelling systems. Braid worked on the commercial systems ROMULUS, the forerunner of Parasolid, and on ACIS. Parasolid and ACIS are the basis for many of today's commercial CAD systems. Edges trong khối rắn 07/11/12 7 Ưu điểm của B-rep • Dễ dàng biểu diễn được các mô hình khối rắn phức tạp thân xe hoặc vỏ máy bay mà chúng không thể tạo ra bằng các phối hợp các khối rắn cơ bản như cách của CSG • Dễ dàng chuyển đổi mô hình khối rắn B-rep sang mô hình khung dây vì biên của B-rep có định nghĩa tương tự như khung dây • Các thuật toán của B-rep tin cậy và mạnh hơn các thuật toán dựa trên CSG Nhược điểm của B-rep • Đòi hỏi nhiều không gian nhớ thì nó phải chứa các phương trình tường minh biểu diễn lớp biên • Dong dài và phức tạp hơn CSG • B-rep xấp xỉ (gần đúng) (Faceted B-rep) tạo từ các mặt phẳng không thích hợp cho việc chế tạo So sánh CSG và B-REP • So với CSG, phương pháp chỉ sử dụng các vật thể cơ bản và phép toán đại số Boole để phối hợp, mô hình B- rep linh hoạt hơn và có nhiều phép thao tác hơn. • CSG chỉ được dùng ở các phần mềm CAD thế hệ đầu vì nó dễ thực hiện hơn. Ngày nay, B-rep được xem là lựa chọn tốt nhất cho các hệ thống CAD hiện đại. • B-rep cũng sử dụng các phép toán đại số Boole, ngoài ra còn sử dụng các phép đùn (extrusion ) hoặc quét (sweeping), vát cạnh (chamfer), bo góc (fillet), tạo mặt nghiêng (drafting), xoắn (tweaking ), tạo vỏ mỏng (shelling)... để xây dựng các mô hình phức tạp Exact Vs Faceted B-rep Schemes • Exact B-rep: If the curved objects are represented by way of equations of the underlying curves and sufaces then the scheme is Exact B-rep. • Approximate or faceted B-rep :In this scheme of boundary representation any curved face divided into planar faces. Ưu điểm của mô hình khối rắn 1. Xác định đầy đủ các thuộc tính khối lượng 2. Mô hình thiết kế rõ ràng, trực quan, đặc biệt cho những người không quen với bản vẽ 2D 3. Dễ dàng phân biệt vùng bên trong, trên mặt và bên ngoài vật thể 4. Đảm bảo tự động xóa các đường khuất 5. Dễ tự động xây dựng các hình chiếu khi muốn trình bày bản vẽ 6. Thay đổi thiết kế dễ dàng hơn 7. Dễ dàng chuyển dữ liệu hình học sang các phần mềm phân tích bằng FEM 8. Dễ dàng trong lắp ráp và mô phỏng chuyển động, tính toán động lực học Nhược điểm của mô hình khối rắn 1. Tiêu tốn nhiều bộ nhớ và đòi hỏi cấu hình máy tính mạnh, 2. Thao tác và tính toán chậm, 3. Khó trao đổi dữ liệu giữa các file CAD 3D...

XEM VÀ TẢI VỀ:

[linkxem]https://drive.google.com/file/d/1UXSkSqj847r0Efo8c8ExRCrj99anHk1D/preview[/linkxem][linktai]https://drive.google.com/file/d/1UXSkSqj847r0Efo8c8ExRCrj99anHk1D/view[/linktai]