wykład1 - modelowanie cyfrowe CAD

Modelowanie cyfrowe
w AutoCAD
Wykład 1
Projektowanie – KWP - CAD
(Konstruct West Partners) oraz cele
modelowania cyfrowego
w CAD
Cechy współczesnego
projektowania
Wymagania stawiane obecnie przedmiotom projektowania są
diametralnie róŜne od wymagań stawianych tradycyjnie. Wynika to przede
wszystkim z wyraźnie wyŜszych wymagań jakościowych (przykładem
mogą być tutaj wymagania stawiane współcześnie produkowanym
samochodom co do ich bezpieczeństwa i niezawodności), masowości
produkcji, rozległości i róŜnorodności obejmowanej tematyki,
kompleksowości powiązań zewnętrznych i ponoszonych kosztów, etc.
Jednocześnie w wielu dziedzinach, gdy projektowany obiekt jest duŜy
(statek, fabryka, centrum handlowe, itp.), projekt naleŜy wykonać na
indywidualne zamówienie. Zwiększa się ponadto róŜnorakość
projektowanych urządzeń i systemów oraz siła ich powiązań z otoczeniem.
śąda się ponadto coraz krótszych czasów projektowania, wynika to z
konkurencji na rynku.
Nowe wymagania dla
systemu projektującego
•konieczność angaŜowania duŜej liczby
projektantów do jednego zadania,
•konieczność angaŜowania specjalistów z
róŜnych dziedzin do jednego zadania,
•konieczność angaŜowania duŜych środków
finansowych,
•uzyskanie najwyŜszej jakości projektowania.
Nowe Ŝądania w stosunku
do procesu projektowania
•konieczność starannego planowania procesu,
•dekompozycji zadań i koordynacji prac róŜnych zespołów,
•umoŜliwienie współuczestnictwa osobom spoza zespołu
projektującego,
•potrzeba wykorzystania najnowszych metod projektowania
wspomaganego komputerowo,
•niezbędność optymalizacji działań projektowych ze względu na
czas i koszty,
•racjonalizacja zbierania i przechowywania informacji,
•umoŜliwienie efektywnej pracy osobom o mniejszym talencie
lub doświadczeniu zawodowym.
Ujęcie systemowe
Ujęcie systemowe nakazuje widzieć proces
projektowania jako jeden z elementów procesu
zaspokajania potrzeby, który składa się co
najmniej z trzech elementów:
•
procesu projektowania,
•
procesu wykonania obiektu,
•
procesu eksploatacji obiektu.
Celem projektowania będzie więc obmyślenie obiektu
projektowania oraz sposobu jego eksploatacji, czasem
równieŜ niektórych nietypowych procesów wytwarzania
obiektu.
Cele projektowania
Celem projektowania będzie więc obmyślenie obiektu projektowania oraz
sposobu jego eksploatacji, czasem równieŜ niektórych nietypowych
procesów wytwarzania obiektu.
Podsumowując jako charakterystyczne dla procesu projektowania
uznano następujące elementy:
•projektowanie jest procesem przetwarzania informacji i
generowania informacji,
•celem procesu projektowania jest obmyślanie tego, czego
jeszcze nie było; stąd wynika konieczność stosowania metod
heurystycznych lub innych działań twórczych oraz konieczność
programowania i symulowania,
Cele projektowania
•projektowanie jest procesem złoŜonym, zawierającym działania o
róŜnym stopniu sformalizowania: od czysto heurystycznych do czysto
algorytmicznych, przy czym działania twórcze są kluczowe; rezultaty
silnie zaleŜą od człowieka,
•proces projektowania jest podporządkowany procesowi zaspokajania
potrzeb.,
mimo znacznego udziału elementów twórczych, proces projektowania
moŜe być badany, opisywany i powinien być nauczany,
•brak jednoznacznych modeli samego procesu projektowania,
•informacja wejściowa projektowania jest niepełna,
•najczęściej
brak
jest
pełnego
matematycznego
modelu
projektowanego obiektu i procesów z nim związanych, co powoduje,
Ŝe proces projektowania moŜna algorytmizować tylko częściowo,
•ekonomiczne i pozaekonomiczne skutki złych rezultatów
projektowania mogą powodować wielkie straty (ekonomiczne, socjalne,
i inne).
Rodzaje projektowania
Przyjęty rodzaj procesu projektowania zaleŜy m.in. od:
•rodzaju zadania projektowego,
•rodzaju podmiotu projektowania (systemu
projektującego), np. własne biuro konstrukcyjne czy
zlecenie na zewnątrz, kwalifikacje personelu,
wyposaŜenie zaplecza, dostęp do informacji,
•środków finansowych i czasu przeznaczonego na
projektowanie.
KWP - System CAD
KWP (Konstruct West Partners; Komputerowe Wspomaganie
Projektowania ) nazywa się proces uŜytkowania zbioru metod i
środków informatycznych (komputerowych) wzmacniających
moŜliwości twórcze konstruktora czy projektanta.
Jest to pewien system składający się z trzech głównych elementów:
•konstruktora lub projektanta, nazwanego dalej uŜytkownikiem,
mającego odpowiednie kwalifikacje,
•sprzętu komputerowego,
•oprogramowania.
Taki trójelementowy układ nazywa się systemem CAD (Computer Aided
Design) lub systemem KWP (Komputerowego Wspomagania Projektowania
Pakiety CAD
NaleŜy podkreślić, Ŝe CAD jest narzędziem wspomagającym pracę człowieka
przy uŜyciu komputera, a nie eliminuje jego z procesu projektowania.
Przyjęły się odpowiednie nazwy klas takich pakietów jak:
•CAD (Computer Aided Design) – konstruowanie i projektowanie
wspomagane komputerowo,
•CADD (Computer Aided Design and Drafting) – wspomagane
komputerowo
geometryczne
modelowanie
(rysowanie)
w
zintegrowanym procesie konstruowania i projektowania,
•CAM (Computer Aided Manufacturing) – wspomagane komputerowo
sterowanie procesem wytwarzania, z wykorzystaniem obrabiarek
sterowanych numerycznie (NC-numerical Control) i obrabiarek
sterowanych mikroprocesorami (CNC – Computer Numerical Control),
Pakiety CAD
•CAD/CAM (Computer Aided Design and Manufacturing) –
zintegrowane (komputerowo wspomagane) konstruowanie i sterowanie
produkcją z moŜliwością tworzenia plików z danymi pośrednimi między
kolejnymi fazami realizacji programu komputerowego,
•CIM (Computer Integrated Manufacturing) – zintegrowany,
komputerowo wspomagany system technicznego i organizacyjnego
przygotowania produkcji oraz nadzoru procesu wytwarzania ,
•CAT (Computer Aided Testing) – sterowany komputerowo proces
kontroli technicznej w procesie wytwarzania,
•CAE (Computer Aided Engineering) – łączne określenie
komputerowego wspomagania prac inŜynierskich, tzn. systemów
łączących CAD, analizę pola (metoda MES, MEB, MRS, etc.), obsługę
eksperymentu, komputerowe sterowanie obiektami, edytory tekstów,
bazy danych i inne.
Zakres komputerowego
wspomagania prac
inŜynierskich.
Do typowych działań, które mogą być wykonywane przez komputer
zalicza się:
•wykonywanie obliczeń w jednym przejściu np. obliczanie
bilansów cieplnych, automatycznego zbierania danych i
statystycznej obróbki danych;. Charakterystyczne jest to, Ŝe
operuje się na duŜych zbiorach danych,
•wykonywanie obliczeń iteracyjnych jak przy optymalizacji czy
symulacji. Charakterystyczne jest to, Ŝe są realizowane złoŜone,
powtarzające się i długotrwałe obliczenia oraz Ŝe uŜytkownik
powinien mieć moŜliwość interwencji w trakcie obliczeń, po
kaŜdej iteracji,
•wykonywanie dokumentacji rysunkowej, np. konstrukcyjnej:
rysowanie
brył,
transformacji
rysunków,
rysowanie wykresów, w tym trójwymiarowych (np. .GRAPHER,
DERIVE, MATHEMATICA, IDL, czy MATLAB),
Zakres komputerowego
wspomagania prac
inŜynierskich
•wspomaganie podejmowania decyzji (Systemy Ekspertowe,
czy Doradcze), edycję tekstów (edytory tekstów – WORD,
WORDPERFECT, LATEX, TEX, etc.), np. opisów technicznych.
•wyszukiwanie informacji o zadanych właściwościach materiału,
wyszukiwanie dokumentacji, przeszukiwanie katalogu,
•wspomaganie podejmowania decyzji (Systemy Ekspertowe,
czy Doradcze), edycję tekstów (edytory tekstów – WORD,
WORDPERFECT, LATEX, TEX, etc.), np. opisów technicznych.
Modularność CAD
Typowe pakiety (systemy ) CAD składają się z kilku części, często
zwanych modułami lub programami. Z reguły są to osobne jednostki
programowe, widziane prze system operacyjny komputera jako
niezaleŜne pliki. Często mogą to być autonomiczne programy, które
moŜna uruchamiać niezaleŜnie. Typowe są następujące moduły:
•Preprocessor – słuŜy do wprowadzania danych przez
uŜytkownika.; moŜe to być np. moduł modelowania graficznego,
który umoŜliwia dialogowe wprowadzanie cech konstrukcyjnych
w formie graficznej i zapisanie ich w pamięci komputera w
formie binarnej,
•Solver (rozwiązywacz) – realizuje wszelkie wymagane
obliczenia, np. wytrzymałościowe, dynamiczne, polowe,
obwodowe, termiczne, etc.,
Modularność CAD
•Postprocessor – umoŜliwia wyprowadzenia wyników
obliczeń w formie najbardziej komunikatywnej dla uŜytkownika,
w szczególności w postaci graficznej, plików ASCII,
Postscriptowych, HPGL, etc.,
•Baza danych –moŜna tu wyróŜnić bazę danych stałych,
wprowadzoną przez twórcę systemu, których uŜytkownik nie
moŜe zmieniać ani wymazać, albo które moŜe uzupełniać, oraz
bazę danych zmiennych automatycznie uzupełnianą przez
system,
•Biblioteka procedur –przewidzianych do uŜywania nie w
jednym, lecz w kilku modułach,
•Główny
program
zarządzający,
który
umoŜliwia
uŜytkownikowi sterowanie przebiegiem procesu obliczeń,
wprowadzanie nowych danych, obsługuje przerwania, steruje
komunikacją między modułami, itp.
Wymagania stawiane
systemom CAE.
Wymagania stawiane pakietom rosną dynamicznie w
miarę rozwoju sprzętu, baz danych, sieci komputerowych,
etc. Pojawia się nowe zjawisko, a mianowicie w związku z
poszerzeniem się kręgu uŜytkowników (w tym osób z małą
znajomością informatyki) pakiety te muszą być
dostosowane do tego kręgu osób.
Podstawowym
wymaganiem
jest
zawsze
dobra
dokumentacja uŜytkownika, zawierająca instrukcję obsługi,
instalowania, uruchomiania, listę błędów, listę plików
systemowych, etc.
Wymagania stawiane
systemom CAE.
Wymagania dotyczące obsługi:
•istnienie wygodnego systemu help; najlepiej kontekstowy,
tzn. Ŝe na ekran wyprowadzana jest tylko informacja
dotycząca bieŜącej sytuacji lub wybranej w danej opcji,
moŜliwość zabezpieczenia przed wprowadzeniem przez
uŜytkownika niepoprawnych danych;
•system odmawia akceptacji takiej danej i nie zmienia stanu
oczekiwania, moŜe równieŜ generować sygnał dźwiękowy: tzw.
“podpowiadacz
poprawnych
odpowiedzi;
wraz
z
wyprowadzeniem na ekran pytaniem system informuje o
zakresie zmian np. liczby, automatyczne zabezpieczenia
(często
wielostopniowe),
np.
zabezpieczenia
przed
machinalnymi naciśnięciami klawisza prowadzącymi do utraty
danych lub efektów pracy w danej sesji,
Wymagania stawiane
systemom CAE.
•moŜliwość
przerwania
danej
interaktywnych z uŜytkownikiem,
sekwencji
działań
•moŜliwość zmiany tylko jednej wybranej danej wejściowej bez
konieczności wpisywania z klawiatury wszystkich od
nowa,przejrzystość działania, tzn. łatwość rozumienia przez
uŜytkownika algorytmów (np.. z pomocą help),
•moŜliwość uŜywania systemu w dwóch lub więcej wersjach
obsługi; inna dla początkującego a inna dla zaawansowanego
uŜytkownika,dostarczenie przez producenta wersji DEMO,
bogaty system dostępnych opcji,moŜliwość uzyskania przez
uŜytkownika aktualnej informacji o bieŜącym stanie systemu.
•moŜliwość uzyskania przez uŜytkownika informacji o
bieŜącym trybie pracy systemu, np. graficznym lub znakowym,
Wymagania stawiane
systemom CAE.
•moŜliwość automatycznego wyprowadzania krótkiego
komunikatu lub licznika przeprowadzonych obliczeń, gdy
system wykonuje długie obliczenia (np. obliczenia 3D), lub
gdy program optymalizuje konstrukcję,
•moŜliwość przerwania pracy bez utraty danych wejściowych i
danych obliczonych do chwili przerwania,
•moŜliwość chwilowego wyjścia z systemu i uruchomienia
innych programów, a potem kontynuacji przerwanej pracy,
•zapewnienie wygodnej obsługi systemu, np. przez
wykorzystanie okien dialogowych obsługiwanych z myszy.
Wymagania stawiane
systemom CAE.
Wymagania dotyczące instalacji – moŜliwość łatwego
instalowania systemu, np. przez umieszczenie w pakiecie
programu instalującego (INSTALL.EXE), zawierającego róŜne
mechanizmy upraszczające instalowanie, np. automatyczne
zmienianie plików konfiguracyjnych.
Wymagania dotyczące oprogramowania - dostarczanie przez
producenta systemu typowych modułów programowych, które po
prostym uzupełnieniu stają się modułami uŜytkownika, istnienie
bogatej biblioteki procedur i funkcji matematycznych, istnienie
wygodnego ekranowego edytora alfanumerycznego danych
wejściowych lub edytora do kodowania modelu matematycznego,
łatwość tworzenia i edytowania baz danych i baz wiedzy;
ewentualnie z automatycznym wpisaniem na Ŝądanie
uŜytkownika do tych baz wyników konkretnej sesji obliczeniowej.
Wymagania stawiane
systemom CAE.
Wymagania dotyczące uruchamiania:
istnienie efektywnego systemu wykrywania błędów programu
uruchomieniowego, istnienie efektywnego systemu wykrywania
błędów obliczeniowych, efektywne narzęzia do uruchamiania,
testowania i weryfikacji działania programu, moŜliwość objaśniania
otrzymanych
wyników
(np.
w
systemie
ekspertowym),
system powinien być dobrze przetestowany, aby nie zawieszał się
przy nietypowych zestawach danych wejściowych.
Wymagania związane z działaniem programu:
zapewnienie duŜej szybkości działania – co osiąga się przez
zastosowanie efektywnych algorytmów matematycznych i dobrą
organizację pamięci, istnienie kompromisowego podziału systemu na
moduły i pliki dyskowe.
Wymagania stawiane
systemom CAE.
Wymagania dotyczące moŜliwości przystosowania do specyficznych
potrzeb uŜytkownika (ang. Customizing):
•moŜliwość tworzenia makroinstrukcji, ewentualnie z parametrami, które mogą
być argumentami tych makropoleceń,
•moŜliwość automatycznego tworzenia pliku rejestrującego kolejno
wprowadzane zlecenia, ewentualnie z rejestracją czasu zegarowego (ang. Logfile),
•moŜliwość pracy dwumonitorowej (jeden drogi monitor graficzny, drugi do
dialogu alfanumerycznego),
•moŜliwość uruchomienia systemu pod róŜnymi systemami operacyjnymi,
zapewnienie łatwego przystosowania systemu do specyficznych potrzeb
określonego uŜytkownika (ang. Customizing of the system), np./ przez
•moŜliwość:
dostępu uŜytkownika do zmiennych systemowych, konfigurowania sprzętowego,
konfigurowania wyglądu ekranu z danymi, tworzenie własnych matryc,
tworzenie własnych dokumentów – wzorców.
Wymagania stawiane
systemom CAE.
Wymagania sprzętowe:
•wymagana jak najmniejsza pamięć RAM i pamięć dyskowa,
•moŜliwość instalowania systemu na róŜnych komputerach i w róŜnych
konfiguracjach sprzętowych, np. przy istnieniu róŜnych kart graficznych,
moŜliwość załoŜenia dysku wirtualnego.
Wymagania dotyczące ochrony zbiorów:
ochrona zbiorów jest ot uniemoŜliwienie czytania, kopiowania, zapisywania
oraz omyłkowego lub świadomego usuwania plików dyskowych przez
niepowołane osoby; osiąga się to przez stosowanie hasła, szyfrowanie plików z
danymi lub ograniczanie uprawnień dla poszczególnych uŜytkowników w
sieciach komputerowych, naleŜy zapewnić zabezpieczenie plików (np. rysunku
zapisanego na dysku) przed przypadkowym usunięciem pliku (np. prze
tworzenie kopii bezpieczeństwa).
Wymagania stawiane
systemom CAE.
Wymagania dotyczące
sprzętowym:
współpracy
z
otoczeniem
programowym
i
komunikacja z innymi systemami (np. wyniki optymalizacji są wprowadzane do
edytora rysunku i odwrotnie); zalecane jest przyjęcie określonych ogólnie
przyjętych standardów (.dxf, .bmp, lub .plt, etc.), moŜliwość fizycznego
dołączania róŜnych urządzeń zewnętrznych wejściowych, opcjonalna moŜliwość
graficznego lub alfanumerycznego wprowadzania/wyprowadzania informacji
wynikowych (np. w metodach aproksymacyjnych obliczeń inŜynierskich – MES,
MEB, MSR, Metoda Sieci Reluktancyjnych), moŜliwość czytania istniejącego
pliku danych, utworzonego przez starszą wersję systemu.
Model obiektu a model CAD
Układ abstrakcyjny lub konkretny, stanowiący nośnik informacji o
zidentyfikowanych własnościach danego obiektu nazywa się zazwyczaj modelem
tego obiektu.
Model moŜe stanowić podstawę teoretyczną analizy zachowywania się (np. budowy
czy działania) modelowanego obiektu dzięki identyfikacji zaleŜności pomiędzy
własnościami tego obiektu a jego właściwościami. Przedstawia badany obiekt tylko
pod jakimś względem; jako przedmiot badań przyjmuje się wówczas wybrane
własności.
Model cyfrowy CAD – plik lub pliki danych oprogramowania CAD zorganizowane
zgodnie z rzeczywistymi cechami odwzorowanych obiektów. Modele cyfrowe
najczęściej są trójwymiarowe (dwuwymiarowe jedynie w pierwszych programach
CAD), zawierają dane geometryczne, topologiczne i inne. Np. model cyfrowy
produktu (cyfrowa makieta produktu, tzw. Digital MockUp – DMU) umoŜliwia
projektantowi przeprowadzenie analiz i symulacji , zanim powstanie prototyp
fizyczny.
Główne cele modelowania
cyfrowego CAD
W oprogramowaniu CAD/CAM/CAE, inaczej niŜ w typowych programach
graficznych, w których celem jest uzyskanie jedynie efektów wizualnych, model
ma do spełnienia róŜne zadania, moŜe słuŜyć do:
• wygenerowania rysunkowej dokumentacji technicznej,
•bezbłędnego geometrycznie eksportu do innych systemów CAD/CAM,
• cyfrowego prototypowania (analizy kinematycznej funkcjonalności, weryfikacji
ergonomicznej, analizy moŜliwości montaŜu, analizy dynamiki elementów i
zespołów),
•Obliczeń wytrzymałościowych (zwłaszcza metoda elementów skończonych),
•Wykonania dokumentacji CAM (zaprojektowania operacji wytwórczych i ich
weryfikacji, uzyskania dodatkowych informacji koniecznych w procesie
wytwórczym – np. wymiary półfabrykatów),
•Wizualizacji produktu (np. do wykonania multimedialnej prezentacji).