Modelowanie wieszaka wagonu w systemach CAD

Transkrypt

1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA Im. I. Łukasiewicza WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji PRACA PRZEJŚCIOWA Adam Bryniak Modelowanie wieszaka wagonu w systemach CAD Promotor: dr hab. inż. Janusz Porzycki, prof. PRz Rzeszów

2 2

3 Spis treści Wstęp Cel i zakres pracy Charakterystyka modelowania w systemach CAD Integracja CAD/CAM Rodzaje modeli cyfrowych CAD Modele krawędziowe Modele powierzchniowe Modele CSG Modele B-rep Modele FBM Modele fraktalne Modele wokselowe Więzy Parametryzacja Potrzeba oraz problemy związane z wymianą danych Rendering Wieszak belki bujakowej Charakterystyka systemów CAD Modelowanie 2D w programie DraftSight Modelowanie 3D w programie AutoCAD Modelowanie 3D w programie Inventor Creo Parametric Podsumowanie i wnioski Literatura

4 4

5 Wstęp Istotnym wymaganiem stawianym obecnie produkowanym wyrobom jest krótki czas ich projektowania, który przekłada się na dążenie do zwiększenia efektywności, a także łatwości modyfikowania elementów przy użyciu systemów komputerowego wspomagania - CAD. Projektowanie oraz konstruowanie z użyciem tych systemów jest realizowane na podstawie utworzonego modelu geometrycznego. Otrzymany model 3D jest zazwyczaj wykorzystywany w kolejnych etapach produkcji, takich jak analiza MES, wytwarzanie prototypów w technologii Rapid Prototyping, czy jako modele przy tworzeniu technologii obróbki CAM. Pokrótce przedstawiono modelowania w oparciu o systemy CAD, zwracając uwagę na interdyscyplinarną oraz komplementarną charakterystykę komputerowego wspomagania podczas procesu projektowania z użyciem systemów komputerowego wspomagania prac inżynierskich. W zależności sposobu otrzymywania konkretnej topologii modelu, można rozróżnić kilka głównych typów modeli cyfrowych, posiadających odmienne właściwości. Konsekwencją takiego podejścia jest powstanie różnych formatów zapisu modeli 3D co wiąże się z koniecznością odpowiedniej translacji w celu odczytu danego modelu w innym programie. Niestety w niektórych przypadkach może powodować to problemy oraz błędy uniemożliwiające dalszą pracę na otrzymanym w ten sposób modelu. Uzyskanie przedmiotów możliwe jest przez korzystanie z algorytmów działań przewidzianych przez producenta danego oprogramowania. Zazwyczaj określony model można wykonać kilkoma odmiennymi sposobami modelowania, a problemem nie jest uzyskanie poprawnego kształtu modelu, ale łatwość jego edycji oraz modyfikacji w przypadku konieczności zmian. W pracy przejściowej skoncentrowano się na przedstawieniu sposobów uzyskania modelu 2D w programie DraftSight V1R4 oraz 3D przy wykorzystaniu różnych metod modelowania z wykorzystaniem programu Autodesk AutoCAD 2014, Autodesk Inventor Professional 2014 oraz Creo Parametric 2.0, zwracając uwagę na odmienną filozofię konstruowania cyfrowych modeli przedmiotów, koncertując się na zastosowaniu jak największej ilości różnych narzędzi modelowania. Przykładowym przedmiotem był stosunkowo nieskomplikowany wieszak belki bujakowej, który jest przykładem typowego elementu wykorzystywanego w przemyśle kolejowym. 5

6 1. Cel i zakres pracy Celem pracy było zapoznanie z sposobami modelowania wieszaka beki bujakowej wykorzystując różne systemy CAD. Zakres pracy obejmuje teoretyczny opis modelowania komputerowego, z omówieniem charakterystycznych cech oprogramowania i rodzajów używanych modeli CAD, oraz praktyczne wykorzystanie tych metod dla pozyskania cyfrowego modelu wieszaka wagonu we wybranych programach komputerowego wspomagania wytwarzania. 2. Charakterystyka modelowania w systemach CAD Projektowanie wspomagane komputerowo CAD (ang. Computer Aided Design) opiera się na wykorzystaniu sprzętu i oprogramowania komputerowego w procesie projektowania, modelowania geometrycznego, analiz wytrzymałościowych oraz opracowaniu dokumentacji konstrukcyjnej wraz z strukturą produktu i listą materiałową [1]. Oprogramowanie to jest szczególnie użyteczne do wspomagania projektowania prac inżynierskich zwłaszcza w fazie rozwojowej produktu (rys. 2.1). Systemy CAD są również stosowane do przygotowania dokumentacji technologicznej, w tym kart oraz formularzy operacji technologicznych zawierającymi szkice operacyjne. Baza danych normaliów Koncepcja Fizyczny model artystyczny Cyfrowy model parametryczny Skaner 3D Symulacja działania Obliczenia wytrzymałościowe Dokumentacja 2D Przygotowanie programu CNC Produkcja Symulacja obróbki Gotowy wyrób Rys Schemat procesu projektowania oraz wytwarzania wspomaganego komputerowo 6

7 Ze względu na sposób modelowania można wyodrębnić dwie klasy oprogramowania CAD: 2D (ang. two-dimensional) oraz 3D (ang. three-dimensional) [2]. W przypadku modelowania 2D technika tworzenia rysunków została przeniesiona z deski kreślarskiej na ekran monitora komputera. Dzięki możliwości edycji stworzonej geometrii dwuwymiarowej znacząco ułatwiono wprowadzanie poprawek oraz modyfikacji utworzonej dokumentacji. Modelowanie trójwymiarowe odbywa się w przestrzeni trójwymiarowej wyświetlanej bezpośrednio w oknie graficznym. Element, zespół, a nawet cała maszyna może być w ten sposób przedstawiona oraz zoptymalizowana w asocjatywnych modułach jeszcze przed powstaniem prototypu. Komputerowe wspomaganie wytwarzania CAD jest jednym z systemów komputerowego wspomagania prac inżynierskich CAx (ang. Computer Aided Technologies), w skład którego wchodzą m.in. narzędzia obliczeń inżynierskich CAE (ang. Computer Aided Engineering), planowania CAP (ang. Computer Aided Planning), wytwarzania CAM (ang. Computer Aided Manufacturing), kontroli jakości CAQ (ang. Computer Aided Quality Control), zarządzania cyklem życia produktu PLM (ang. Product Lifecycle Management). Atutem systemów wspomagających projektowanie jest możliwość korzystania z baz danych zawierających biblioteki, know-how firmy, katalog elementów znormalizowanych itp. [3]. Typowy proces projektowania nowego przedmiotu wykorzystujący CAx może przebiegać następująco: 1) uzgodnienie przez zespół projektowy ogólnej koncepcji projektu, 2) wykonanie głównego cyfrowego modelu elementu projektowanego wyrobu, 3) wykonanie cyfrowej makiety wyrobu, zamodelowanie brakujących części, 4) przeprowadzenie obliczeń wytrzymałościowych, dobór materiałów, ocena strony wizualnej oraz ergonomicznej, 5) wykonanie prototypu, 6) wykonanie dokumentacji wymaganej przepisami prawa, 7) dokonanie poprawek i zmian w projekcie, oszacowanie kosztów wykonania, 8) sporządzenie BOM (ang. Bill of Materials), 9) wykonanie rysunków poszczególnych części oraz opracowanie instrukcji dla obrabiarek CNC, 10) wykonanie instrukcji montażu oraz użytkowania, 11) wykonanie prezentacji multimedialnej do celów marketingowych. 7

8 2.1. Integracja CAD/CAM Celem działań w oprogramowaniu CAM jest uzyskanie niezbędnych informacji do wytworzenia projektowanego obiektu w oparciu o model wykonany w oprogramowaniu CAD. Istotny funkcjonalnością w tym przypadku jest możliwość współpracy z natywnymi formatami programów CAD, jak i eksport oraz import danych przez formaty neutralne. Programowanie automatyczne z użyciem systemów CAD/CAM prowadzi do otrzymania kodu NC, na podstawie utworzonego modelu CAD w tym systemie, lub zaimportowanego modelu z zewnętrznego programu CAD [4]. Kolejnym krokiem jest określenie cech geometrycznych półfabrykatu, elementów mocujących przedmiot, a nawet modelu 3D konkretnej obrabiarki. Tory ruchu narzędzia są automatycznie generowane, na podstawie wybranego rodzaju obróbki, z uwzględnieniem wybranych narzędzi oraz zdefiniowanej geometrii detalu. Na tym etapie możliwe jest określenie parametrów skrawania lub automatyczny dobór z uwzględnieniem wymaganych właściwości powierzchni po obróbce. Symulacja obróbki w systemie CAD/CAM pozwala odnaleźć oraz naprawić błędy zapewniając bezpieczeństwo i eliminację podstawowych błędów jeszcze przed pierwszym uruchomieniem na maszynie (rys. 2.2). Wygenerowany kod NC przez postprocesor odpowiada układowi sterowania obrabiarki CNC. Zazwyczaj niezbędne są dodatkowe ręczne zmiany otrzymanego kodu w celu poprawy niektórych fragmentów programu sterującego obróbką. 8 Rys Wygląd przykładowego systemu CAD/CAM wizualizacja obróbki (Mastercam X6)

9 2.2. Rodzaje modeli cyfrowych CAD Modele wykonane w różnych systemach CAD przeważnie odznaczają się odmienną topologią oraz możliwością jej modyfikacji [5]. W związku z tym rozróżnia się podstawowe rodzaje modeli cyfrowych (tab. 2.1). L.p. Rodzaj modelu Struktura modelu 1. Krawędziowy Punkt oraz linie (np. odcinki, okręgi splajny itp.) 2. Powierzchniowy Powierzchnie (np. NURBS, Beziera) 3. Bryłowy CSG Prymitywy objętościowe z drzewem strukturalnym 4. Bryłowy B-rep Zamknięte bryły ograniczające objętość wraz z drzewem strukturalnym 5. Bryłowy hybrydowy Bryłowy CSG + bryłowy B-rep uzyskany metodą FBM (ang. Features Based Modeling. Bryłowy CSG + bryłowy B-rep uzyskany metodą przesuwania i obracania obiektów 2D 6. Fraktalny Wykorzystujące podobieństwo dokładne lub losowe 7. Bryłowy wokselowy Przestrzeń opisana trójwymiarowym rastrem (siatka wypełniona wokselami, które tworzą obiekty 3D) Tab Charakterystyka podstawowych modeli cyfrowych W zależności od geometrii przedmiotu stosuje się odpowiednie metody modelowania. Modelowanie bryłowe opiera się na wykorzystaniu podstawowych brył w celu uzyskania zadanej geometrii. Modele tworzone powierzchniowo pozwalają uzyskać skomplikowane powierzchnie, które mogą być trudne lub nawet niemożliwe do wykonania metodą modelowania bryłowego. Połączenie tych dwóch metod jest wykorzystywane przy modelowaniu hybrydowym (rys. 2.3). Rys Przycięcie bryły za pomocą powierzchni 9

10 Modele krawędziowe Modele krawędziowe (ang. wire-frame models) przedstawiają obiekt 3D za pomocą linii oraz punktów. Krawędzie mogą być tworzone przez linie proste, okręgi, łuki lub krzywe. Model krawędziowy nie zawiera informacji o powierzchni oraz wnętrzu bryły, dlatego też obiekt 3D jest przedstawiany w sposób niejednoznaczny. Zaletą modeli krawędziowych są małe wymagania sprzętowe wynikające z prostoty ich struktury. W oparciu o modelowanie krawędziowe tworzone są szkice 2D lub 3D. Szkice 2D (rys. 2.4) wykonywane w płaszczyźnie konstrukcyjnej, a następnie są wykorzystywane do tworzenia brył. W przypadku szkiców 3D krawędzie przeznaczone do wykonania dalszych operacji modelowania powstają przez połączenie punktów w przestrzeni. Rys Model krawędziowy 2D na przykładzie szkicu konstrukcyjnego (NX 9.0) Modele powierzchniowe Modele powierzchniowy (ang. surface models) tworzone są z elementarnych powierzchni ograniczonych krawędziami. Modelowanie powierzchniowe wyróżnia możliwość definiowania bardzo skomplikowanych powierzchni przedmiotów. Nie posiada natomiast informacji o wnętrzu modelu, a co za tym idzie takich cech jak masa, gęstość, środek ciężkości itp. Powierzchnie można podzielić ze względu na budowę (rys. 2.5): 10

11 a) powierzchnie liniowe, powstałe w operacjach wyciągnięcia lub rozwinięcia, które w dowolnym przekroju równoległym do wektora definiującego kierunek wyciągnięcia posiadają liniowe odcinki leżące na tej powierzchni. b) powierzchnie rozwijalne, pozwalające na sprowadzenie ich do stanu płaskiego, wykorzystywane przy tworzeniu elementów poprzez gięcie arkuszy blach, bez wykonywania przetłoczeń. c) powierzchnie swobodne - typu NURBS (ang. Non-Uniform Rational B-Spline) lub Bezier a, umożliwiają tworzenie zaawansowanych kształtów, gdzie właściwa powierzchnia jest interpolowana pomiędzy grupą splajnów. a) b) c) Rys Rodzaje powierzchni wykorzystywane w modelowaniu powierzchniowym Modele CSG Modelowanie z zastosowaniem prymitywów objętościowych CSG (ang. Constructive Solid Geometry), ma na celu uzyskanie bryły poprzez operacje boole owskie (rys. 2.6) na obiektach pierwotnych (prostopadłościan, kula, wałek, stożek itp.), zwanych prymitywami. Dla jednoznacznego określenia modelu CSG kolejne operacje logiczne są reprezentowane w postaci drzewa operacji. Zaletą metody CSG jest jej prostota, natomiast ograniczeniem niemożność uzyskania powierzchni swobodnych. Rys 2.6. Przykładowe operacje algebry Boole a na prymitywach 11

12 Modele B-rep Modele bryłowe B-rep (ang. Boundary representation) składają się z objętości ograniczonych przez zdefiniowane brzegi obiektu, czyli powierzchnie ograniczające (rys. 2.7). Oprócz informacji geometrycznych wykorzystywane są informacje topologiczne opisujące powiązania elementów składowych. Modele B-rep pozwalają na wykonywanie operacji na prymitywach, jednakże trwają dłużej niż w CSG, a ponadto przebiegają w kilkuetapowym procesie. Rys 2.7. Przykład modelu B-rep Modele FBM Modele oparte na cechach konstrukcyjnych FBM (ang. Feature Based Modeling), uzyskuje się przez zastosowanie predefiniowanych sparametryzowanych elementów, które są łączone w jedną strukturę z zachowaniem określonej hierarchii, w celu utworzenia unikalnego obiektu. Modelowanie opiera się na zastosowaniu typowych kształtów geometrycznych zawartych w bibliotekach, dla których określono charakterystyczne parametry sterujące. Wśród nich można rozróżnić normalia, czyli predefiniowane elementy znormalizowane, oraz typowe kształty geometryczne takie jak: otwory, rowki, fazowania, zaokrąglenia, itp. W porównaniu z modelowaniem CSG definiowanie cyfrowego modelu części odbywa się w krótszym czasie i zapewnia elastyczniejszy wpływ na zmiany konstrukcyjne [6]. Model części w systemie FBM przedstawiany jest w sposób graficzny jako bryła lub powierzchnia oraz za pomocą drzewka strukturalnego (rys. 2.8). W celu edycji wybranej cechy należy wskazać żądaną cechę przedmiotu, bezpośrednio w oknie graficznym lub wybierając ją z drzewa strukturalnego. 12

13 Rys Model FBM wraz z drzewkiem strukturalnym modelu (Creo Elements/Pro 5.0) Modele fraktalne Modele fraktalne są zbudowane z elementów samopodobnych (rys. 2.9), w związku z czym teoretycznie ich rozdzielczość jest niegraniczona. Strukturę fraktali można uzyskać korzystając z samopodobieństwa dokładnego, gdzie fragmenty tworzące model są odpowiednio przeskalowanymi elementami podstawowymi. Innym sposobem jest wykorzystanie samopodobieństwa statycznego, w którym fraktale otrzymywane są w sposób losowy. Rys Model fraktalny (trójkąt Sierpińskiego) 13

14 Modele wokselowe W metodzie modelowania wokselowego (ang. voxel models) wykorzystuje się woksele, czyli elementarne objętości w przestrzeni 3D, którymi zazwyczaj są sześciany (rys. 2.10). Istotnym parametrem wpływającym na rozdzielczość modelu wokselowego jest rozmiar woksela. Zaletą tej metody jest możliwość nadania dodatkowej informacji w postaci atrybutów dla poszczególnego woksela. Model wokselowy tworzony jest m.in. podczas badań przeprowadzanych z użyciem tomografu komputerowego Więzy Rys Model ściętej sfery zbudowanej z wokseli Więzy mają za zadanie narzucenie ograniczenia na określone cechy modelu. W programach CAD można rozróżnić więzy: 1) geometryczne związane z geometrią modelu (rys. 2.11), a) więzy postaciowe odnoszą się do zależności geometrycznymi pomiędzy elementami np. prostopadłość, równoległość, styczność, połączenie końców, współśrodkowość itp., b) więzy wymiarowe określają cechy geometryczne wyrażane za pomocą wartości np. odległość lub kąt pomiędzy punktami, odcinkami, obiektami, 14

15 a) b) Rys Więzy geometryczne: a) postaciowe, b) wymiarowe (Inventor) 2) kinematyczne stosowane dla zespołów składających z co najmniej dwóch części. Więzy te ograniczają liczbę stopni swobody (więzy holonomiczne) lub określają wzajemny ruch części (więzy nieholonomiczne) i ponadto pozwalają na sprawdzenie dopasowania oraz ewentualnych kolizji (rys. 2.12) Parametryzacja Rys Przykład więzów używanych podczas złożenia (SolidWorks 2014) Parametryzacja pozwala na dwustronne powiązanie modelu geometrycznego z matematycznym, co w praktyce oznacza automatyczne przegenerowanie dokonanych zmian w aktualnie modyfikowanym modelu. W programach CAD można rozróżnić parametryzację 15

16 dynamiczną oraz relacyjną. Parametryzacja dynamiczna zezwala na manualną zmianę wartości liczbowych wybranych wymiarów, w wyniku czego geometria modelu w sposób dynamiczny zmienia swoją postać. Parametryzacja relacyjna umożliwia zmianę zapisu konstrukcji poprzez zmianę wymiarów określonych w sposób relacyjny dla zmiennej niezależnej. Relacje te mogą zostać zdefiniowane w edytorze programu CAD (rys. 2.13) lub w zewnętrznym edytorze tekstowym, albo arkuszu kalkulacyjnym. Rys Dostęp do parametrów modelu śruby przez edytor formuł (CATIA V5R20) W modelowaniu parametrycznym ważna jest kolejność definiowania więzów, ponieważ kolejne są definiowane na podstawie poprzednich. Wadą w takim podejściu, w przypadku skomplikowanych modeli, jest długi czas przetwarzania geometrii zhierarchizowanej w drzewku historii operacji. Odmiennym podejściem jest modelowanie bezpośrednie [14], które pozwala na swobodniejszy proces tworzenia oraz modyfikacji, z wykorzystaniem narzędzi przeciągnięcie, obrót, skręcenie, w tym również edycję skomplikowanych kształtów. Model parametryczny można edytować jako model bezpośredni, a ponadto nie ma potrzeby ciągłej aktualizacji geometrii podczas przeprowadzania zmian. 16

17 Sposób modelowania bezpośredniego wykorzystuje się przy tworzeniu modeli koncepcyjnych, gdzie istotne jest szybkość oraz łatwość zmiany kształtu, a także oprogramowaniu CAM, w których z kolei pozwala na optymalizację geometrii pod względem technologiczności Potrzeba oraz problemy związane z wymianą danych Stosowanie w przemyśle, w zależności od potrzeb, różnych programów CAD prowadzi do konieczności bezstratnej wymiany danych w postaci cyfrowej. Gwałtowny rozwój oprogramowania CAD prowadzony przez różne firmy dorowadził do powstania odmiennych standardów funkcjonowania aplikacji, co przejawia się w zróżnicowanych formatach zapisu (tab. 2.2). Formaty aplikacji CAD Autodesk AutoCAD *.dxf, *.dwg Autodesk Inventor *.ipt -części, *.iam - złożenie, *.idw - rysunki CATIA *.catpart - części, *.catproduct - złożenie, *.catdrawing - rysunki CREO *.prt -części, *.asm - złożenie, *.drw - rysunki SolidWorks *.sldprt -części, *.sldasm- złożenie, *.slddrw - rysunki NX *.prt Formaty wymiany danych kerneli CAD ASCI *.sat, *.acis, *.sab Parasolid *.x_t, *.x_b Neutralne formaty wymiany danych STEP *.stp, *.step IGES *.igs, *.iges STL *.stl (format stratny) Formaty do publikacji danych DWF *.dwf (format wektorowy) PDF *.pdf (format wektorowy) BitMaP *.bmp (format rastrowy) JPEG *.jpg, *.jpeg (format rastrowy stratny) GIF *.gif (format rastrowy) TIFF *.tif, *.tiff (format rastrowy) Tab.2.2. Podstawowe formaty zapisu plików CAD 17

18 Brak kompatybilności przejawia się najczęściej jako brak lub bardzo ograniczona możliwość modyfikacji modelu zaimportowanego z innego systemu CAD. Tracona jest również informacja o drzewku konstrukcyjnym modelu oraz cechach konstrukcyjnych. Zagadnienie odmiennych algorytmów interpolacji zapisu geometrycznego ma wpływ na powstawanie błędów. W zależności od oprogramowania stosowane są różne sposoby obliczeniowe elementów tworzących model, a także tolerancji tych wartości. Cyfrowy model zawsze będzie pewnym przybliżeniem założonego matematycznego ideału, dlatego tolerancja geometryczna w oprogramowaniu CAD jest dokładniejsza niż tolerancja technologiczna, ale zarazem odpowiednio duża, aby obliczenia nie trwały niepotrzebnie długo. W wyniku zbyt wąskiej tolerancji po konwersji mogą powstać szczeliny pomiędzy sąsiadującymi powierzchniami, które utrudnią pracę na uzyskanym modelu (rys. 2.14). Rys Niewspółliniowość krawędzi po konwersji Rozwiązaniem problemu wymiany danych realizowane jest poprzez: konwersję przy użyciu wbudowanego konwertera lub użycie zewnętrznych translatorów (ograniczeniem jest posiadanie oddzielnego konwertera dla każdego typu formatu danych), używanie oprogramowania bazującego na tym samym jądrze (nie zawsze jest możliwe posiadanie plików powstałych tylko z wykorzystaniem danego kernela), korzystanie z neutralnych formatów IGES, STEP (błędy podczas translacji modelu). 18

19 2.6. Rendering Rendering to proces tworzenia wizualizacji fotorealistycznej na podstawie cyfrowego modelu (rys. 2.15). W programach CAD rendering wykorzystuje się do prezentacji obiektów, które poprzez nadanie materiału oraz faktury imitują rzeczywisty wygląd przedmiotu. Najlepsze efekty uzyskuje się jednak w programach dedykowanych do tworzenia wizualizacji korzystających z zaawansowanych algorytmów oddziaływania światła na materię. a) b) Rys Efekt renderingu a) Inventor Studio, b) 3DS MAX V-ray

20 3. Wieszak belki bujakowej Wieszak belki bujakowej jest elementem w pojeździe szynowym łączącym belkę bujakową z wózkiem napędowym. Belka bujakowa to skrzynkowa konstrukcja spawana, spoczywająca na sprężynach śrubowych, umieszczonych w wannach bujakowych, które są zawieszone poprzez zestaw ogniw, sworzni oraz wieszaków belki bujakowej [7]. Rys. 3.1.Wózek wagonu Wieszaki belki bujakowej są osadzone we wspornikach, które są przyspawane do ostoi wózka. Obok wieszaków głównych zlokalizowane są wieszaki bezpieczeństwa, mające na celu zapobiegnięcie odpadnięciu wanny w przypadku zerwania wieszaka. a) b) Rys Zamocowanie wieszaka belki bujakowej: a ) rysunek montażowy, b) widok rzeczywisty wieszaka 20

21 Rys Wieszak belki bujakowej 21

22 4. Charakterystyka systemów CAD Programy CAD posiadają różny zakres wspomagania prac inżynierskich. Najprostsze oprogramowanie CADD (ang. Computern Aided Design and Drafting) służy do wykonywania dokumentacji rysunkowej. Bardziej zaawansowane oprogramowanie CAD pozwala na tworzeni parametrycznych modeli trójwymiarowych, pracę w złożeniu części, sprawdzenie wytrzymałościowe, animację oraz rendering fotorealistyczny [8]. Zazwyczaj jest to oprogramowanie specjalizowane, zorientowane na ściśle określone branże. Uniwersalne systemy CAD/CAM/CAE stanowią pakiety w pełni asocjatywnych modułów wspomagających cały proces projektowania, wraz z cyklem zarządzania produktu PLM (ang. Product Life Management). Obecnie zaawansowane systemy CAD wyposażone są w systemy ekspertowe (KBE ang. Knowledge Based Engineering). W oparciu o bazę wiedzy, w które zawarte są formalne procedury automatyzujące typowe zadania procesu konstrukcyjnego wraz z oceną jego poprawności. Do systemu CAD wprowadzane są dane wejściowe, które są interpretowane na podstawie KBE, a rezultatem jest optymalne rozwiązanie. Innym kierunkiem rozwojowym jest praca w tzw. chmurze (ang. cloud) [15]. Zaletą w tym przypadku jest łatwy dostęp do danych niezależnie od miejsca, w którym został utworzony projekt, ponieważ pliki są przechowywane na zewnętrznych serwerach (rys. 4.1). 22 Rys Autodesk 360 beta zapewniający możliwość tworzenia oraz przeglądanie rysunków bezpośrednio w oknie przeglądarki internetowej lub korzystając z przeznaczonych aplikacji na urządzenia mobilne

23 4.1. Modelowanie 2D w programie DraftSight DraftSight jest darmowym programem komputerowego wspomagania projektowania w przestrzeni 2D. Warunkiem korzystania z programu jest bezpłatna rejestracja [16]. Program zapewnia współpracę z formatem DWG oraz DXF, również pozwala na zapisanie do plików w formatach PDF, JPG, BMP. Wygląd programu wzorowany jest na klasycznym interfejsie programu AutoCAD (rys. 4.2). Ograniczeniami programu są braki zaawansowanych funkcji dostępnych w płatnym konkurencyjnym oprogramowaniu oraz niestabilna praca w przypadku złożonych i dużych projektów. Rys Widok programu DraftSight wraz z modelem 2D wieszaka belki bujakowej DraftSight jest typowym programem 2D, w którym z wykorzystaniem podstawowych narzędzi do rysowania jak linia, łuk, okrąg, wielokąt itp. konstruuje się dwuwymiarowy model przedmiotu. Praca na warstwach, tworzenie bloków grupujących elementy, narzędzia ułatwiające kreskowanie oraz zautomatyzowane wymiarowanie, znacznie przyspiesza tworzenie dokumentacji oraz umożliwia bezproblemową jej edycję [9]. Przydatną funkcjonalnością programu jest opcja wstawienia obrazu jako podkład, pomocna przy tworzeniu cyfrowego modelu na podstawie zeskanowanej dokumentacji rysunkowej. 23

24 4.2. Modelowanie 3D w programie AutoCAD AutoCAD to produkt firmy Autodesk pozwalającym modelować 2D oraz 3D oraz opracowywać dokumentacje rysunkową [10]. Jest to najpopularniejszy program do komputerowego wspomagania wytwarzania oraz kreślenia. Wersja komercyjna jest płatna, istnieje jednak możliwość dostępu do darmowej wersji edukacyjnej programów firmy Autodesk (w tym AutoCAD oraz Inventor) dla posiadaczy maila w domenie edu.pl [17]. Na bazie standardowej aplikacji dostępne są specjalizowane systemy CAD dedykowane dla różnych branż, m.in. AutoCAD: Mechanical, Architecture, Electrical, Plant 3D, Civil 3D. Interfejs programu wykorzystuje wstążkę (ang. ribbon) (rys. 4.3), w której pogrupowano funkcje oprogramowania wcześniej dostępne przez menu oraz ikony na paskach narzędzi. AutoCAD pozwala na wykonanie renderingu za użyciem dostępnego silnika Mental Ray. Rys Widok programu AutoCAD 2014 wraz z modelem 3D wieszaka belki bujakowej Dostępne są trzy metody modelowania (rys 4.4). Modelowanie bryłowe podstawowe prymitywy oraz niestandardowe bryły użytkownika. Modelowanie powierzchniowe powstałe w wyniku operacji przeciągnięcia, wyciągnięcia złożonego lub prostego, obracania. Modelowanie siatkowe składające się z wierzchołków, krawędzi oraz 24

25 ścian reprezentowane przez wielokąty, stosowane głównie w modelach przeznaczonych do renderingu. Rys Paski narzędzi modelowania Poniżej (rys 4.5) przedstawiono jeden z wielu sposobów tworzenia modelu wieszaka belki bujakowej. Domyślny krawędziowy sposób wyświetlania jest mało czytelny, z tego względu wybrano wyświetlanie cieniowane (a). W pierwszej kolejności utworzono prostopadłościan odpowiadających zarysowi łba wieszaka (b) wraz z nadaniem wysokości (c). Rysując linię łączącą przeciwległe wierzchołki utworzonej bryły, ułatwiono realizację określenia punktu środkowego. Korzystając z automatycznego wykrycia środka odcinka, narysowano okrąg odpowiadający średnicy pierwszego czopa części walcowej wieszaka (d). Następnie utworzono kolejne charakterystyczne okręgi korzystając z opcji przesunięcia tworzącą kopie elementu, równocześnie zmieniając wartości ich promieni (e). Tak przygotowany model (f) posłuży do zastosowania wyciągnięcia złożonego (ang. Loft). Po zaznaczeniu okręgów podczas tworzenia wyciągnięcia generowany jest podgląd (g), jednak przed zatwierdzeniem należy zmienić sposób tworzenia powierzchni ze stycznej na liniową (h). W następnym kroku wykonano otwory w oparciu o operacje na elementarnych bryłach, w tym przypadku korzystano z walców o zadanej średnicy oraz operacji boole a różnicy (i). W przypadku w części walcowej, najpierw utworzono bryłę poprawnie zorientowaną, a następnie przesunięto ją na określoną odległość (j) i utworzono otwór. Przed przystąpieniem do zaokrąglania oraz fazowania zsumowano wszystkie bryły w modelu, a następnie ukształtowano krawędzie (k). W celu usunięcia materiału łba dla wklęsłych zaokrągleń utworzono stosowne walce, które zostały następnie odjęte od właściwej bryły (l). Efektem końcowym jest uzyskanie trójwymiarowego modelu wieszaka belki bujakowej (rys. 4.3). 25

26 a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) Rys Kolejne etapy konstruowania modelu wieszaka 26

27 4.3. Modelowanie 3D w programie Inventor Inventor to program komputerowy CAD, który umożliwia modelowanie projektowanego przedmiotu w przestrzeni trójwymiarowej. Jądro programu ShapeManager pozwala na modelowanie części z wykorzystaniem technik hybrydowych, zezwalających na łączenie brył oraz powierzchni w jednym modelu dla uzyskania zadanych kształtów oraz uproszczenia edycji modelu. Podstawowymi moduły programu służą do modelowania części (.ipt), tworzenia złożeń (.iam) oraz dokumentacji (idw) [11]. Dodatkowo możliwe jest sprawdzenie wytrzymałościowe w oparciu o solver ANSYS. Moduł do tworzenia złożeń umożliwia przeprowadzenie symulacji montażu, tworzenie animacji oraz moduł Inventor Studio do fotorealistycznego renderingu [12]. Model wieszaka belki bujakowej uzyskano (rys. 4.6) poprzez wskazanie płaszczyzny (a), w której został utworzony szkic zarysu łba wieszaka (b). Korzystając z narzędzia wyciągnięcia (ang. Extrude) określono kierunek jako symetryczny oraz wysokość wyciągnięcia tworzonej bryły (c). Wskazując płaszczyznę za pomocą drzewka geometrii (d), przystąpiono do tworzenia zarysu części walcowej wieszaka. W tym celu zrzutowano krawędź istniejącej bryły, aby zapewnić powiązanie z tworzonym profilem, a także narysowano oś symetrii, definiując również podstawowy zarys profilu (e). W szkicowniku dostępne są narzędzia do fazowania oraz zaokrąglania, które zostały zastosowane dla wykonania odpowiednich krawędzi zarysu (f). Narzędzie służące do wyciągnięcia przez obrót (ang. Revolve) pozwoliło na uzyskanie bryły wałka, która jest standardowo sumowana ze styczną bryłą (g). Następny szkic (h) posłużył do uzyskania sfazowań oraz otworu z wykorzystaniem narzędzia wyciągnięcie ze zaznaczoną opcją odjęcia materiału i wybraniu poprawnego kierunku (f). Po wykonaniu fazowania krawędzi (j), za pomocą narzędzia otwór (ang. Hole) wykonano otwór w części walcowej (k). Przed przystąpieniem do przypisania gwintu w pliku Thread.xls wprowadzono wartości parametrów gwintu Tr 55x5 (l), ponieważ standardowo program nie posiada jego wymiarów. Narzędzie gwint (ang. Thread), po wskazaniu części walcowej na której ma być umieszczony gwint (m), umożliwiło wybór żądanego rodzaju gwintu (n), w wyniku czego otrzymano widok wieszaka wyświetlany z teksturą gwintu (rys. 4.7) oraz adnotacją o jego cechach geometrycznych wykorzystywaną np. przy tworzeniu dokumentacji rysunkowej. 27

28 a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) 28 Rys Przykładowe etapy modelowania wieszaka