MAINSKI FAKULTET SARAJEVOKATEDRA ZA MAINSKE KONSTRUKCIJE

L

@

b

AutoCAD 2005

CATIA V5

PROJEKTOVANJE POMOU RAUNARA

PREDAVANJA

V.prof. dr. Adil Muminovi

1. UVODNE NAPOMENEZa inenjere, konstruisanje predstavlja stvaranje neeg novog poboljavajui postojee konstrukcije, mijenjajui ih kako bi obavljale nove funkcije, ili je to jednostavno reeno uvoenje novog koncepta. Naravno, konstruisanje (dizajniranje) nije ogranieno samo na inenjere ve ga koriste mnogi dizajneri u modi, industriji, arhitekturi, kiparstvu i kompozitori. Konstruisanje se uobiajeno izvodi u cilju zadovoljenja potrebe neke osobe, grupe ili zajednice ljudi. To je proces voen od strane kupaca, oblikovan od strane korisnika i ocjenjen od strane trita. Dakle, konstruisanje proizvoda, zahtijeva definisanje ogranienja rjeavanog problema, a zatim treba predloiti rjeenje koje e funkcionisati uz ova ogranienjima. Konstruisanje tehnikih sistema razvilo se iz procesa izrade u zasebnu i zaokruenu cjelinu. Razvoj nauke a naroito tehnologije postavljao je zadatke koje su mogli da rjeevaju samo ljudi sa vie znanja i iskustva. Tako se izdvajaju najprije pojedinci, a zatim timovi sa zadatkom da osmiljavaju nove proizvode i nadziru realizaciju. Konstruisanje postaje izdvojena cjelina a veza sa proizvodnjom i eksploatacijom novostvorenog proizvoda ini projekat u kojem je dat prikaz naina rada, strukture i oblika dijelova, izrade, rukovanja, odravanja i dr. Etape u razvoju i koritenju proizvoda od ideje do recirklae (unitenja) date su na slici 1.1.R E C I R K L A C I J A

I D E J A

KONSTRUISANJE

PROIZVODNJA

EKSPLOATACIJA

RAZVOJ PROIZVODATRITE

Slika 1. 1 Etape u razvoju i koritenju proizvoda od ideje do recirklae (unitenja) Ako analiziramo etape u razvoju i korienju proizvoda, jasno je da se na osnovu potreba okruenja ili zahtijeva koje namee trite formira ideja za njegov razvoj. Faza razvoja je kljuna za uspjeh proizvodai na tritu i u direktnoj je vezi sa proizvodnim mogunostima. Proizvod doivljava punu svoju potvrdu uspjenosti ili krah u eksploataciji.

2

U proizvodnoj areni, produktivnost se postie tako da se period od koncepta do izlaska proizvoda na trite to vie skrati i istovremeno utroi to manje sredstava u njegov razvoj i proizvodnju. U toku razvojnog procesa odreenog proizvoda kompanije se esto susreu s dilemom da li produiti razvojno vrijeme ili poveati materijalno ulaganje u razvoj (slika 1.2).

Slika 1.2 Kljuni faktori pri razvoju proizvoda Krajnji cilj je to bre predstavljanje proizvoda tritu. Pod tim uslovima vrijeme do izlaska proizvoda na trite tR oznaeno je kao kljuni faktor u ostvarivanju to vee zarade. Dolo se do zakljuka da je vrijeme utroeno na razvoj proizvoda kritini faktor, za razliku od utroenih materijalnih sredstava, u ostvarivanju tog cilja (Slika 1.3).

Slika 1.3: Pad zarade u ovisnosti o razliitim faktorima u razvoju proizvoda

3

Iz svega proizlazi da su nune promjene u dosadanjem tradiconalnom pristupu razvoja proizvoda gdje je nosilac informacija crte. Te promjene se u osnovi temelje na potpori raunarskih mogunosti. Razliiti sudionici razvojnog procesa (konstruktori, tehnolozi, marketing, proizvodnja ) moraju to blie saraivati u ostvarivanju navedenog cilja koje se oslanja na 3D grafiki model dobijen primjenom raunara u procesu konstruisanja (CAD Computer Aided Desing). Primjena razliitih tehnologija podranih raunarom omoguava stvaranje fizikog modela proizvoda u relativno kratkom periodu po zavretku trodimenzionalnog CAD modela. CAD je stekao veliku popularnost u posljednjoj deceniji i postaje neophodan alat za bilo koji inenjerski zadatak. Njegova primjena se iri i na svom uspjehu moe zahvaliti masovnoj produkciji snanih mikroprocesora i njihovoj niskoj cijeni. CAD je spoj ovjeka i maine, koji rade zajedno u cilju postizanja optimalne konstrukcije i proizvodnje proizvoda, slika 1.4.

Najbolje ljudske karakteristike

Najbolje karakteristike raunara i raunarskih programa

Ultimativni CAD sistem

Slika 1.4: Karakteristike CAD-a Grafike mogunosti i brzi prorauni pomou raunara dozvoljavaju konstruktorima da oblikuju i testiraju svoje ideje interaktivno u realnom vremenu bez da moraju stvarati prave prototipove kao u konvencionalnom pristupu. Tipini CAD sistem sadri konstrukcijske i proizvodne operacije. Kompleksni proizvodi bivaju konstruisani i analizirani, a njihovi proizvodni planovi izraeni. Proizvodu se daje izgled kakav e imati u finalnoj fazi. Kako upotreba CAD sistema poboljava konstruisanje moe se demonstrirati analizom svakog koraka u konstruisanju. Na primjer, konstruktor ili inenjer formulira problem koristei se raznim izvorima informacija. Sa CAD radne stranice, konstruktor moe pristupiti velikom broju odabranih informacija koje se odnose na trenutno odreeni konstrukcijski problem. Kako su mnoge kompanije proizvodno orjentisane i specijalizirane u proizvodnji odreenog proizvoda, u njihovom najboljem interesu je da formiraju bazu podataka gdje e svi podaci biti spremljeni. Kompleksne geometrije se lako rjeavaju uz pomo CAD radne stanice, dozvoljavajui korisniku da provede vie vremena na konstrukcionom aspektu problema.

4

1.1 Mjesto i uloga raunara u procesu konstruisanjaProces konstruisanja u svojoj osnovi je informacioni proces jer polazi od ideje, odvija se koritenjem znanja i podataka i zavrava se informacijom o tome kako treba objekat izgledati i kakvo se ponaanje u eksploataciji oekuje. Koristi se i obrauje velika koliina podataka to predstavlja pogodno podruje za primjenu raunara. Prvi konstruktivni sistemi podrani raunarima izali su sredinom ezdesetih godina i razvijeni programski sistemi omoguavali su djelimina rjeenje, npr. konstrukcione proraune ili programiranje numeriki upravljanih alatnih maina. Danas su razvijeni programski sistemi koji omoguavaju integraciju automatizovane obrade kompleksnih zadataka, kao npr. razliite vrste grafikih prezentacija, FEM aplikacije, NC aplikacije, planiranje rada i kvaliteta, izrada tehnike dokumentacije, itd. Za sistem koji omoguava obradu ovih zadataka usvojen je termin CAD koji je predloio D.T. Ross u toku istraivanja i razvoja NC (numeriki upravljanog) programskog sistema. Razvojem metoda odvijanja operacija, razvojem raunara i povezivanjem operacija u cjeline, stvaraju se sistemi operacija za kostruisanje pomou raunara. Najvaniji od njih su CAD, CAM, CIM, ekspertni sistemi i sl. Navedeni sistemi pri projektovanju i konstruisanju proizvoda i tehnologija dati su na slici 1.5. dok je u daljem tekstu dat pregled ovih termina i njihovo znaenje.KONSTRUISANJE INENJERSKI PRORAUNI GEOMETRIJSKE ANALIZE EKSPERTNI SISTEMI CAD

CAE

CIM

PROIZVODNJA TEHNOLOGIJA CAP CAD/CAM NC, CNC, DNC CAM

Slika 1. 5 Primjena raunara u procesu konstruisanja i proizvodnji CAD (Computer-Aided Desing) znai konstruisanje podrano raunarom, odnosno to je tehnologija koritenja digitalnih raunara za izvravanje funkcije projektovanja. CAD se moe shvatiti u uem i irem smislu. Skraenica CAD u uem smislu podrazumijeva grafiko prikazivanje izradu crtea dijelova, dok se iri smisao dobija na osnovu samog naziva CAD a odnosi se na sve operacije u konstruisanju vezane za grafiko modeliranje slika 1.6(3D model automobila - CATIA V5).

5

Slika 1.6 3D model automobila (CATIA V5) Na slici 1.7. dat je uproteni prikaz strukture koja prethodi i slijedi iza grafikog modeliranja. Dimenzije dijelova, tolerancije i drugi parametri oblika dijelova, dobiju se kao rezultat prorauna, optimiziranja i sl. Za specifine objekte ovaj segment moe biti spregnut sa grafikim modeliranjem, donoenjem odluka i sl. Proces konstruisanja postaje u viem stepenu automatizovan i dobija neka obiljeja ekspertnog sistema. Formirani grafiki modeli (oblici) koriste se za izradu crtea, zatim za razne vrste prorauna i analize stanja i za pravljenje programa za izradu dijelova takvog oblika (CAM). Za primjenu metode konanih elemenata (FEM) potreban je grafiki model mainskog dijela te po ovoj osnovi i metoda konanih elemenata moe biti ukljuena u okviru podruja CAD.PRORAUNI, OPTIMIZIRANJE ILI EKSPERTNI SISTEMI

GRAFIKO MODELIRANJE

IZRADA CRTEA

PRIMJENA FEM I DRUGE ANALIZE

CAM

Slika 1. 7 Struktura CAD-a i veza sa CAM

6

CAM (Computer-Aided Manufacturing) znai primjenu raunara u proizvodnji i upravljanju proizvodnjom, kao i u obradi zadataka koji se odnose na tok materijala i tok informacija u proizvodnji. CAE (Computer-Aided Engineering) znai zajedniki termin za primjenu raunara u konstrukciji, pripremi proizvodnje i same proizvodnje, odnosno podrazumijeva primjenu raunara u svim oblastima poslovanja od planiranja proizvodnje do isporuke novog proizvoda. CIM (Computer Integrated Manufacturing) znai integrisano raunarsko uee u cjelokupnom proizvodnom procesu od ideje, razvoja, konstrukcije, radnog planiranja, planiranja proizvodnje, upravljanja, montae, kontrole kvaliteta i isporuke. Postoje i druge oznake kao npr. za planiranje pomou raunara CAP, oznaka za osiguravanje kvaliteta pomou raunara CAQ, itd. Treba naglasiti da ima i preklapanja pojedinih aktivnosti u ovim terminima to je i razumljivo obzirom na sloenost proizvodnog procesa. Ta sprega se oituje kroz sljedee veze: CAD/CAP CAD/PPS CAD/CAQ CAD/CAP/NC konstruisanje / priprema proizvodnje, konstruisanje / organizacija, planiranje, upravljanje, kostruisanje / upravljanje kvalitetom, neposrdna / posredna sprega konstruisanja i numerikog upravljanja, itd.

Od funkcija projektovanja koje se nastoje automatizirati su: koncipiranje proizvoda, analiza i optimizacija proizvoda, kao i izrada tehnike dokumentacije. Jedan od bitnih sistema za konstruisanje pomou raunara su i ekspertni sistemi. Ekspertni sistemi obuhvataju prikupljanje podataka, obradu istih, donoenje odluke, itd. na osnovu istih znanja koja su programirana ili ih sistem sam stie na definisan nain. Openito uzevi, sistem obavlja sve aktivnosti koje bi obavljao strunjak, tj. ekspert za datu oblast. Ono ime se ekspertni sistem odlikuje je samostalnost u prikupljanju informacija, transformacija podataka, donoenje odluke i nastavljanje procesa na osnovu donijete odluke bez interakcije ovijeka eksperta. Znanje, na osnovu kojeg se ove operacije odvijaju, je programirano u vidu uputstva. Ekspertni sistemi vieg nivoa do znanja dolaze analizama informacija, poreenjem i otkrivanjem. Tako se dostie nivo vjetake inteligencije kojoj se tei u budunosti.

7

2. CILJ I SADRAJ PROCESA KONSTRUISANJAProces konstruisanja poinje idejom da se stvori novi proizvod a zavrava ispitnim prototipom. Rezultat procesa konstruisanja je projekat u ijem je sastavu prikaz strukture konstruisanog objekta (crtei dijelova i sklopova), analize, prorauni i upustva za izradu i eksploataciju. Odvija se u nekoliko faza od kojih je prva koncipiranje idejnog rjeenja, druga dimenzionisanje i oblikovanje dijelova i sklopova, zatim analiza i provjera dijelova, sklopova i konstrukcija u cjelini i na kraju slijedi konstrukciona razrada. Faze u procesu konstruisanja date su na slici 2.1.

Definicija problema

1.

KONCIPIRANJE IDEJNOG RIJEENJA

Modificirati ogranienja problema

2.

DIMENZIONISANJE I OBLIKOVANJE

NE Da li je skup kriterija zadovoljen ?

3.

ANALIZA STANJA DIJELOVA I SKLOPOVA

4.

KONSTRUKCIONA RAZRADA

DA

Slika 2. 1 Faze u procesu konstruisanja U fazi koncipiranja idejnog rjeenja razrjeavaju se osnovni principi rada budue konstrukcije. Polazna osnova je opta funkcija za ije je izvravanje mainska konstrukcija i namijenjena. Polazei od ogranienja definisanih projektnim zadatkom odnosno listom zahtjeva, optimizira se princip izvravanja elementarnih, parcijalnih i opte funkcije s konanim ciljem da se doe do optimalnog principijelnog rjeenja. Drugu fazu, dimenzionisanje i oblikovanje, ini konkretizacija oblika i dimenzija dijelova i sklopova zamiljenih u prvoj fazi. Bira se materijal, nain izrade dijelova i na bazi prorauna odreuju se polazne dimenzije odnosno parametri za definisanje oblika dijelova. Rezultat ove faze je prva verzija sklopnog crtea, koji se u nastavku procesa konstruisanja koriguje, mijenja i dopunjuje. U treoj fazi, analiza stanja dijelova i sklopova, se kada je konstrukciono rjeenje definisano, pristupa provjeri svih aspekata ispravnog izvravanja funkcije. Analiziraju se uslovi rada, sigurnosti, pouzdanosti, kapaciteta, vibracija, buke, geometrijskih karakteristika dijelova i sklopova, uslovi odravanja, izrade i montae, itd. Ove analize

8

treba da opravdavaju dato konstrukciono rjeenje i ukau na znaajne elemente vane za izradu, a naroito za eksploataciju. U ovoj fazi verifikuje se predloeno rjeenje. ZADATAK PRIKUPLJANJE PODATAKA I RAZJANJAVANJE LISTA ZAHTJEVAKONCIPIRANJ E RJEENJA OPTIMIZIRANJE PRINCIPA RADA RJEENJA OPTIMIZIRANJE KONSTRUKCIJE KONSTRUISANJE U UEM SMISLUPRIPREMA ELEMENATA

- Formiranje strukture funkcija tehnikog procesa - Formiranje principskih (koncepcijskih) rjeenja - Izbor optimalne varijante

KONCEPCIJA RJEENJAPREDPROJEKAT:

- Optimiziranje mjera, oblika, meusobnih veza i oslanjanja dijelova na bazi prorauna - Izbor materijala i koncipiranje sklopnog crteaOPTIMALNA VARIJANTA

PROJEKAT: - Detaljna razrada usvojenog rjeenja sa zavrnim proraunima izdrljivosti i pouzdanosti te definitivno oblikovanje dijelova - Izrada crtea dijelova, upustava za montau, rukovanje i odravanje - Analiza rezultata ispitivanja prototipa i potrebne izmjene nekih detalja projekta

GLAVNI PROJEKAT

IZVOENJE Slika 2. 2 Skraeni prikaz sadraja procesa konstruisanja

9

U okviru etvrte faze, konstrukciona razrada, vri se izrada crtea dijelova, kao to je dato na slici 2.1. ili u okviru tree faze kao to je obuhvaeno prikazom na slici 2.2. Radi ilustracije ukupnog stanja u procesu konstruisanja, slika 2.2., dat je skraeni prikaz sadraja i odvijanja procesa. Nakon prve faze dobija se koncepciono rjeenje koje je rezultat koncipiranja ili kako se jo naziva, projektovanja, to podrazumijeva definisanje strukture mainskog sistema, vrste komponenata i dijelova, njihov raspored i veze. Optimiziranje koncepcionog rjeenja odnosno principa rada, produava se do zavretka projekta. Izrada projekta a zatim glavnog projekta je konstruisanje u uem smislu rijei i podrazumijeva optimiziranje konstrukcije.

DEFINICIJA PROBLEMA

Manuelna i raunarska podrkaBaza podataka

KONCIPIRANJE

DIMENZIONISANJE OBLIKOVANJE

Geometrijsko modeliranje Programska podrka Baza podataka

ININJERSKA ANALIZA

RAZRAD Izrada konstruktivne

CATIA 5 TENZOMETRIJA

Slika 2. 3 Proces konstruisanja, struktura i primjena raunara

10

2.1. Mogunost primjene raunara za koncipiranje idejnog rjeenjaPostupak koncipiranja idejnog rjeenja mainske konstrukcije (sistema) ine operacije meu kojima dominantno mjesto zauzima obrada informacija, naroito znanja i donoenje odluka. Ove operacije su najsloenije za uklapanje u model koji bi se programirao za raunar. S toga za sad ne postoji razvijen paket programa za koncipiranje idejnog rjeenja. Realizovane su baze podataka u vidu skupa elementarnih funkcija sa matricama izvrilaca i podacima o njima. Obimna baza podataka moe predstavljati dobru osnovu za interaktivan rad pri koncipiranju. Odluke o rasporedu i povezivanju funkcija i izvrilaca donosi konstruktor, a u komunikaciji sa raunarom dobija sve potrebne podatke o ovim elementima. Izbor optimalne varijante bazira veim dijelom na subjektivnom ocjenivanju. Uloga raunara svodi se na obradu tih podataka odnosno na izaunavanje pokazatelja o dobroti rjeenja. Tenja ka automatizovanom koncipiranju idejnog rjeenja vodi stvaranju ekspertnog sistema koji bi morao biti snabdjeven sljedeim cjelinama. irokom bazom podataka o izvriocima funkcija: o izvedenim rjeenjima, njihovim karakteristikama u vezi sa izradom, eksploatacijom, tritem i dr. Modulima za proirivanje baze znanja odnosno za mainsko uenje na osnovu prethodnih rjeenja, izvedenih principa i dr. Modulima za davanje prijedloga koncepcionih cjelina na bazi zadatih ogranienja i formiranje moguih varijanti rjeenja. U ovom dijelu dominantno mjesto zauzeli bi moduli za donoenje odluka o mogunostima uklapanja raznih izvrilaca pod datim uslovima. Modulima za izbor prihvatljivih varijanti na osnovu unaprijed postavljenih ogranienja. I pri visokom stepenu razvijenosti ovakvog sistema, kljune odluke morat e da donese inenjer konstruktor.

2.2. Modeliranje mainskih dijelova pomou raunaraOblikovanje mainskih dijelova pomou raunara je mnogo ireg znaaja od samog grafikog prikazivanja. S tim u vezi moe se izdvojiti sljedeih nekoliko bitnih odlika ovakvog naina oblikovanja. U prvom redu to je mogunost modeliranja oblika to znai komponovanje oblika od prostijih-elementarnih, spregnuto sa dimenzionisanjem koje se zasniva na odgovarajuim matematikim modelima. Mogunost translacije, rotacije, presjecanja, projiciranja i dr. znaajno obogauje ovaj nain prikazivanja. Druga komponenta oblikovanja pomou raunara je pamenje oblika, tj. mogunost formiranja biblioteka oblika koji se ponavljaju. To omoguava da se konstruisanje svede na odabiranje i komponovanje mainskih sklopova i irih struktura od ve razraenih i sauvanih oblika dijelova. Oni koji se prvi put pojavljuju, naknadno se razvijaju obogaujui pri tome biblioteku dijelova. I na kraju trea komponenta je crtanje pomou raunara. Razraeni modeli, tj. prostorni oblici dijelova i sklopova, u skladu sa propisima tehnikog crtanja prevode se u ravanske projekcije i pomou plotera prenose na papir-printaju. Crte se kompletira kotama, tablicama, po potrebi dopunjuje tekstom i dr. U osnovi svih ovih operacija odn. grupa operacija koje su naprijed navedene je raunarska grafika, tj. posebno razraeni principi realizacije grafikih prikaza pomou raunara.

11

2.2.1

Osnovne postavke raunarske grafike

Rad raunara zasnovan je na operacijama sa diskretizovanim tj. numerikim vrijednostima. Ovi podaci se uvaju, transformiu, sabiraju, mnoe, itd. Pored ostalog oni mogu predstavljati i koordinate taaka u izabranom koordinatnom sistemu. Raunarskom grafikom omogueno je da se take mogu vidjeti. Taka na ekranu sa datim koordinatama, pomou odgovarajueg hardverskog rjeenja, osvjetljava se jae od drugih ili svjetlou druge boje. Skup osvijetljenih taaka ini liniju, povrinu ili geometrijsko tijelo. To je osnovni princip, meutim praktina realizacija je znatno sloenija, pogotovo kada se raunarska grafika eli koristiti kao alat konstruktora tj. pribliiti korisniku i prilagoditi njegovim potrebama. Uprotena struktura sistema za grafiko prikazivanje data je na slici 2.4.GRAFIKI TERMINAL EKRAN

MATEMATIKI MODEL

CENTRALNI PROCESOR

DISPLAY PROCESSOR DPU

TASTATURA

MEMORIJA RAUNAR

GRAFIKA DISPLAY MEMORIJA

INTERAKTIVNI PRIBOR

Slika 2. 3 Uprotena struktura sistema za grafiko prikazivanje Sistem za grafiko prikazivanje sastoji se od raunara i grafikog terminala koji mogu biti spojeni u jednu fiziku cjelinu. U raunaru se na osnovu odgovarajueg matematikog modela izraunavaju potrebne veliine (koordinate taaka) koje se u centralnom procesoru ureuju u odgovarajui matrini raspored pogodan za grafiko prikazivanje. Formirani raspored se uva u memoriji i prenosi u grafiki terminal. Procesor za prikazivanje ili Display Processor Unit DPU formira sliku na ekranu. Slika se osvjeava pomou posebne memorije (Display Memory DM). Sa Display procesorom povezana je tastatura i ureaj za interaktivnu grafiku komunikaciju. Odravanje slike na ekranu mogue je ako se slika obnavlja 30 ili 60 puta u sekundi. Obavljanje se vri iz grafike Display memorije koja je razliito organizovana kod alfanumerikih i kod grafikih terminala. U prvom sluaju svako slovo ili broj ini matrica od 5 7 = 35 , 7 9 ili vie bitova (0 i 1), gdje su jedinice rasporeene po konturi slova. Ovakva memorija naziva se jo i Refresh Buffer. Slika u grafikoj Display memoriji uva se u vidu dvodimenzionalne matrice koja je ispunjena znacima 0 ili 1 . Broj vrsta i kolona odgovara broju linija na ekranu, tj. svakoj taci na ekranu odgovara jedan znak u matrici. Na ekranu su osvijetljene one take kojima je u matrici dodijeljena jedinica. Ovako formirana grafika memorija nazive se Frame Buffer i predstavlja digitalizovanu sliku. Samo ako je linija pod uglom od 45 , moe biti osvijetljenim takama u nizu, dok u ostalim sluajevima linija predstavlja neki vid aproksimacije okolnih taaka. Takoer, da bi linija bila glatka potrebno je da veliina kvadratia na ekranu bude to manja, tj. da je ekran visoke rezolucije. Na ekranu niske

12

rezolucije linija je stepenastog oblika, neujednaena i velike debljine. Analitiki opis linija, povrina i geometrijskih tijela ostvaruje se pomou odgovarajuih matematikih modela. Za reprodukciju unutranjeg geometrijskog modela u vidu slike na grafikom terminalu neophodno je obezbijediti geometrijske i perspektivne transformacije. 2.2.2. Geometrijske i perspektivne transformacije Geometrijske transformacije omoguavaju pomjeranje geometrijskog predmeta, u cilju njegovog boljeg posmatranja i povezivanja sa drugim dijelovima. Perspektivne transformacije omoguavaju prikazivanje trodimenzionalnog predmeta njegovim projekcijama u eljenoj ravni ekrana ili plotera. Geometrijske transformacije se mogu smatrati sredstvom za manipulaciju grafikim objektima i njihovim koordinatnim sistemima na organizovan i efikasan nain. Dakle, postoje dva naina geometrijskih transformacija: transformacija objekta i transformacija koordinatnog sistema. Geometrijske transformacije moemo izraziti kao: translacija, skaliranje, rotacija, preslikavanje a realizuju se mnoenjem svih taaka modela odgovarajuim matricama, to se obino izraava vektorskom jednainomV '= V T

gdje je V ' - vektor koordinata taaka modela poslije transformacije, V - vektor koordinata taaka modela prije transformacije i T - transformaciona matrica rotacije, skaliranja, itd. Translacija u 2D i 3D transformaciji. Taka A u x y ravni (2D) moe biti translirana odnosno pomjerena na novu poziciju A' dodavanjem veliine translacije na koordinate taaka kao na slici 2.5. Za svaku taku A( x, y ) koja se pomjera na novu taku A' ( x' , y ') moemo napisati:

x' = x + D x i y ' = y + D y ,

gdje je D x - vrijednost pomjeranja po x osi, D y - vrijednost pomjeranja po y osi .y y' Dy y Dx A A'

x

x'

x

Slika 2. 5 Translacija taaka u 2D prikazu

Ako se definiu vektori A = [x, y ] , A' = [x' , y '] i T = D x , D y onda moemo napisati

[

]

A' = A + T ,ili u razvijenom obliku

[x' , y '] = [x, y ] + [Dx , D y ] .13

U cilju homogenizacije i jedinstvenog prikaza prethodni izraz se moe napisati u vidu proizvoda a ne zbira. Dakle moemo napisati da je A' = A T .

Da bi ovo postigli morali smo vektor kolone za A i A' proiriti za jedan lan, koji je 1. U ovom sluaju je A' = [x' , y ' ,1] i A = [x, y,1] pa se matrica translacije izraava u sljedeem obliku 1 0 0 1 0 . T = 0 D x D y 1 Predstavljanjem 2D transformacije kao proizvoda matrice 3x3 , paralelno e za 3D transformaciju biti matrica 4 x 4 i to za desni koordinatni sistem. Prema tome za 3D translaciju imamo1 0 A' = A T = [x' , y ' , z ' ,1] = [x, y, z ,1] 0 Dx 0 1 0 Dy 0 0 1 Dz 0 0 . 0 1

Skaliranje u 2D i 3D transformaciji. Take kao krajnje take vektora mogu biti skalirane za S x duinu po x osi i za S y duinu po y osi u nove take (2D)x' = x S x i y ' = y S y .Ako sa S obiljeimo matricu skaliranja onda je za neku taku A i A' jednaina u vektorskom oblikuS x A' = A S = [x' , y ' ,1] = [x, y,1] 0 0 0 Sy 0 0 0 . 1

Razlikuje se uniformno skaliranje, kada je S x = S y i diferencijalno skaliranje kada je

S x S y . Pri 3D skaliranju jednaina jeS x 0 [x' , y' , z ' ,1] = [x, y, z,1] 0 0 0 Sy 0 0 0 0 Sz 0 0 0 . 0 1

14

Rotacija take u 2D prikazu. Take kao krajnje take vektora mogu biti rotirane za neki ugao oko koordinatnog poetka kao na slici 2.6.y y' A'

y x' x

A

x

Slika 2. 6 Rotacija taake u 2D prikazuSa slike se moe vidjeti da je x' = r cos( + ) i y ' = r sin ( + ) . Primjenom trigonometrijskih transformacija imamo da je

x' = x cos y sin i y ' = x sin + y cos . Jednaina rotacije je

A' = A R ,gdje je A' [x' , y ' ,1], A = [x, y,1] i R - matrica rotacije. Izraz za rotaciju u razvijenom obliku moe se zapisati kao cos [x' , y' ,1] = [x, y,1] sin 0 sin cos 0 0 0 . 1

Ukoliko se radi o 3D rotaciji tada matrica rotacije ima oblik zavisan od ose ( x, y, z ) oko koje se vri rotacija, i to

cos sin Rz = 0 0 cos 0 Ry = sin 0

sin cos

0 1 0 0

0 0 0 1 0 cos 0 0 , Rx = 0 sin 0 1 0 0 0 1 0 0 sin 0 0 0 . cos 0 0 1

0 sin cos 0

0 0 i 0 1

15

Preslikavanje u 2D i 3D transformaciji. Preslikavanje neke take oko koordinatnog poetka se moe ostvariti inverzijom koordinata, tako da je za 2D analizu x' = x i y ' = y . Matrini oblik preslikavanja je 1 0 0 A' = A M odnosno [x' , y ' ,1] = [x, y,1] 0 1 0 , 0 0 1

dok je za 3D

1 0 0 0 1 0 [x' , y' , z ' ,1] = [x, y, z,1] 0 0 1 0 0 0

0 0 . 0 1

Perspektivne transformacije omoguavaju prikazivanje 3D modela u 2D prostoru ekrana ili plotera. Ortogonalne projekcije se jednostavno mogu dobiti eliminacijom odgovarajuih koordinata, npr.:za pogled sprijeda eliminie se x koordinata, za pogled odozgo eliminie se z koordinata i za pogled sa strane eliminie se y koordinata.

2.2.3. Metode geometrijskog modeliranjaPrirodni nain posmatranja i shvatanja mainskih djelova je u prostoru, tj. u tri dimenzije. Zbog ogranienja u tehnici prikazivanja dijelovi se prikazuju u projekcijama iz kojih treba zamisliti prostorni oblik. Primjena raunara omoguava da se oblik formira u prostoru, a zatim po potrebi projicira u eljenim pravcima. Zato se modeliranje oblika mainskih djelova vri u prostoru dok se dvodimenzionalna grafika koristi u prvom redu za izradu dokumentacije. Djelimian prikaz problematike u raunarskoj grafici, dat u prethodnom odjeljku, dovoljan je da ukae na sloenost postupka koji treba matematiki modelirati i programski razraditi da bi se na ekranu dobila slika. Nije racionalno da korisnik, kada eli da prikae mainski dio, razrauje sve te detalje. Pogodno je da se operacije koje se ponavljaju izdvoje u vidu univerzalnih programa koje korisnik moe da upotrebljava ne ulazei u to kako se oni ostvaruju. Tako je formiran niz paketa programa za grafiko modeliranje sa razliitim namjenama. Linija, povrine i dr. kombinuju se kao gotovi oblici sa zadatim parametrima dok se u raunaru odvija obiman postupak izraunavanja koordinata taaka. Svi razvijeni paketi programa za grafiko modeliranje oblika mogu se prema rezultatima koje obezbjeuju svrstati u nekoliko grrupa. To su: paketi za crtanje kontura i dijagrama, paketi programa za grafiko modeliranje ljuski i paketi programa za modeliranje geometrijskih tijela odnosno mainskih dijelova. Dakle vrste grafike prezentacije bi bile: modeliranje sloenih kontura i dijagrama, iani, ivini modeli (Wire Frame), povrinski modeli (Surface) i zapreminski modeli (Solid).

16

Osnovni cilj metoda geometrijskog modeliranja odnosno grafike prezentacije je da se sa to manje podataka predmet projektovanja to vjernije opie odnosno predstavi.

Modeliranje sloenih kontura i dijagramaOvo modeliranje ostvaruje se relativno jednostavnim programima u odnosu na ostale grafike prezentacije. Rezultat nekog prorauna je skup taaka svrstan u jednodimenzionalnoj ili dvodimenzinalnoj matrici. Programom za grafiko prikazivanje, na osnovu ovih podataka, odreuju se koordinate taka u izabranom koordinatnom sistemu na osnovu kojih se u garfikoj memoriji rasporeuju vrijednosti 0 i 1. Take kojima je dodijeljena vrijednost 1 su osvijetljene i definiu grafiku zavisnost kako je to prikazano na slici 2.7 . Ovi programi koriste se i za crtanje svih kontura koje se mogu izraunavati taku po taku na osnovu odgovarajuih jednaina.500 400 p (MPa) 300 200 100 0 -0.6

-0.4

-0.2

0 x (mm )

0.2

Slika 2. 7 Primjeri grafikog prikazivanja rezultata prorauna u obliku dijagrama 2D iani modeliVeina prvobitnih CAD sistema koristila je iani odnosno ivini model za opis geometrijskog izgleda predmeta. iani model sadri podatke o karakteristinim takama (tjemenima) i linijama (ivicama) koje opisuju geometrijski izgled predmeta, ali ne sadre podatke o povrinama i zapreminama koje ine predmet. Poto ovaj model prikazuje sve linije i sva tjemena, to predmet moe biti nejasan pri njegovom prikazivanju na ekranu, jer se ne zna koji je dio prednji a koji zadnji. Ovi modeli se danas rjee koriste, jer ne obezbjeuju uslove za obrazovanje presjeka i projekcija.

17

Slika 2. 8 iani model Primjeri ianih modela CATIA V5

18

Povrinski modeliPovrinski modeli pored podetaka o tjemenima i ivicama sadre podatke i o povrinama koje ograniavaju prostor u kojem se nalazi predmet. Povrine se aproksimiraju nizom poligona tj. ravnih povrina ogranienih ivicama u obliku trouglova, etverouglova i vie poligonalnih linija. Svaku povrinu u prostoru tj. poligon pored tjemena i ivica definie i vektor normale iji smjer ukazuje da li je zapremina modela sa jedne ili druge strane povrine. Ovi modeli ne sadre podatke o zapremini to moe da bude ogranienje u pojedinim aplikacijama. Da bi se povrinski modeli mogli to lake posmatrati razvijeni su modeli za uklanjanje povrina koje se ne vide iz pozicije posmatranja, a takoer postoje i postupci za sjenenje vidljivih povrina. Na ovaj nain se mogu dobiti realne slike modela. Povrinski model moe biti formiran na jedan od sljedeih naina: slaganjem elementarnih primitiva iz CAD biblioteke (konus, cilindar, ravan, itd.), translacijom ili rotacijom 2D konture i koritenjem analitikih povrina za modeliranje skulptorskih povrina i ljuski. Na slici 2.9 dati su navedeni naini formiranja povrinskih modela. U grupaciji formiranja povrinskih modela javljaju se modelari skulptorskih povrina i granini (Boundary) modelari.

Slika 2. 9 Formiranje povrinskih modela

19

Modeliranje skulpturskih povrina i ljuski primjenjuje se za oblikovanje koljki automobila, brodskih korita, letjelica i drugih povrina sloenog oblika. Sloene povrine odnosno ljuske predstavljaju se mreom linija Curve Mesh kako je prikazano primjerima na slici 2.10. Oblici definisani mreom krivih linija nazivaju se splajnovi (Spline).

Slika 2. 4 Primjeri povrina definisanih mreom krivih linijaZavisno od matematikog modela pomou kojeg se ova mrea definie, razraen je niz pristupa koji se mogu razvrstati u dvije grupe. Jednu grupu ine oni modeli kod kojih se povrina definie translacijom, rotacijom ili nekim drugim pravilnim kretanjem izabrane krive linije. Ova linija se moe definisati pomou proizvoljno rasporeenog skupa taaka koje linija spaja ili pomou parametarske jednaine. Oblik parametarske funkcije (jednaine) moe biti razliit, ali se najee koriste polinomi razliitog oblika. Najee se koriste tri funkcije za aproksimaciju krivih linija ili povrina a to su: kubni Spline, B-Spline i Bezierov Spline. Takoer, vrlo pogodan za primjenu je postupak oblikovanja sloenih povrina pomou kontrolnih taaka. Korisnik interaktivnim priborom (pomou mia, palice ili elektronske olovke) unosi take u blizini povrine koju eli oblikovati kao to je to prikazano na slici 2.11. Unesene koordinate slue kao polazna osnova za aproksimiranje povrine. Promjena oblika ili fina podeavanja oblika ostvaruje se pomjeranjem kontrolnih taaka. Naizmjeninim korekcijama i aproksimacijama mree dobija se eljeni oblik. Parametrizacija krivih na povrini, aproksimacija taaka i dr. ostvaruje se pomou sloenog matematikog aparata i razvijenih programa.

Slika 2. 5 Modeliranje sloenih oblika pomou kontrolnih taaka Granini modelari se takoer esto koriste koriste za oblikovanje povrinskih modela. Postupak modeliranja zasniva se na imitiranju procesa crtanja. Oblici dijelova se formiraju kombinovanjem prostih geometrijskih figura uglavnom linija. Ovi elementarni oblici poznati u raunarskoj grafici kao entiteti u raznim programskim paketima mogu biti razliiti, meutim veina ih je kod svih ista. To su take, prave, linije, krunice, elipse i druge vrste sloenih krivih. Osim toga razni oblici povrina mogu biti definisani kao entiteti kao to su cilindri, sfere, konusi, itd. Entiteti su definisani grafiki oblici sa

20

utvrenim nazivom i ulaznim parametrima. Odabiranje entiteta i njihovo definisanje najee se izvodi pomou pribora uz interaktivan rad. Izbor se vri iz ponuenog menija koji se dri na uglu ekrana ili na magnetnoj tabli. Odabiranjem entiteta, pomjeranjem, kombinovanjem i sl. pomou mia ili drugog pribora imitira se postupak klasinog crtanja. U trodimenzionalnom sistemu entiteti mogu biti i povri. One se formiraju pomou taaka i linija te se u paketima za graninu prezentaciju ne razdvaja otrom granicom 2D i 3D prikazivanja. Ravan kao prostorni entitet definie se pomou pravih i taaka, cilindar pomou krunica i pravih, sfera pomou krunica, itd. Pri tome se linijski entitet prikazan u ravni rotira u prostoru, a zatim translacijom u eljenom pravcu formira eljeni povrinski granini entitet kao na slici 2.12.

a)

b)

Slika 2. 6 Primjeri povrinskog (a) i linijskog entiteta (b) Primjeri povrinskih modela CATIA V5

21

Zapreminski modeliZapreminski modeli tano definiu zapreminu koju zauzima objekat koji se modelira, te se zna da li je neka taka unutra, vani ili na samoj povrini modela. Postoje tri osnovna modela pri zapreminskom modeliranju i to: modeli dobijeni konstruktivnom geometrijom elementarnih tijela, tj. solid grafika prezentacija CSG (Constructive Solid Geometry), modeli dobijeni grafikom prezentacijom, B-rep i rotacijom ili translacijom povrina.

Solid modeliranje (CSG) geometrijskih oblika odnosno mainskih oblika neophodno je za one dijelove kod kojih treba da se vre analize stanja u unutranim takama, prorauni i sl. Modeli dobijeni ovim postupkom sadre infomacije o koordinatama taaka u unutranjosti. Osim ove vane osobine, modeli dobijeni pomou solid modelara imaju sve druge osobine kao granini modeli. Solid model je ispunjen unutranjim takama ije se koordinate izraunavaju pri modeliranju, zato postupak modeliranja due traje a memorija raunara je optereenija. Mainski dijelovi se ovim modeliranjem dobijaju dodavanjem, oduzimanjem, presjecanjem i sl. geometrijskih tijela primitivnog tj. elementarnog oblika (prizma, piramida, lopta, kupa i sl.). Ti su primitivi definisani matematikim modelom kako za formiranje oblika zadatih dimenzija tako i za unutranje take u primitivima. Unutranji prosto se dijeli na elije tj. na usitnjene kocke definisane vornim takama-tjemenima. Koordinate tjemena su unutranje take koje definiu ispunjenost primitiva i nisu vidljive na ekranu pri grafikom prikazivanju, meutim one ine osnovu za primjenu teorije skupova pri operacijama sa primitivima. Formiranje oblika mainskih dijelova solid modeliranjem ostvaruje se primjenom Bulovih operacija nad skupovima taaka unutar primitiva. To su unija skupova kojom se ostvaruje sabiranje geometrijskih oblika, presjek skupova, razlika i sline operacije. Na slici 2.13 prikazano je formiranje oblika koritenjem primitiva i navedenih operacija.

22

Slika 2. 13 Solid modeliranje (CSG)Oblici primitiva uvaju se u vidu matematikog modela ije su ulazne veliine dimenzije kao npr. prenik i visina valjka, duina ivice prizme i sl. Promjenom odnosa visine, prenika i poloaja u prostoru, pomou matematikog modela jedne primitive dobija se veliki broj specijalnih oblika. Zavisno od kapaciteta i brzine rada raunara, obrazovanje primitive moe da traje relativno dugo ili bude skoro trenutno. Kao to se primitiv u solid modelaru uva u matematikom obliku tako se i formirani mainski dio uva u obliku analitikog modela kombinovanog od matematikog modela primitiva. Parametri ovih dijelova kao to su glavne mjere ili neke druge karakteristike su ulazne veliine za ovaj model te promjenom ulaznih veliina mijenjaju se dimenzije i odnos dimenzija mainskog dijela istog oblika. Za dijelove koji se esto pojavljuju formira se biblioteka. Sklop se obrazuje povezivanjem pojedinih razraenih oblika, zadavanjem dimenzija i pozicioniranjem u sklopu.

Slika 2. 14 Zapreminski model dobijen graninom prezentacijom (B-rep)

23

Zapreminski modeli dobijeni graninom prezentacijom ili B-rep modeli (slika 2.14) , takoer sadre informaciju o zapremini tijela. Do ove informacije o zapremini tijela ne dolazi se kombinacijom elementarnih tijela (primitiva), nego ograniavanjem odgovarajueg prostora stranama i ivicama tijela. Granice modela u vidu ravnih povrina ili poligona odreuju njegovu zapreminu pa je po tome dobio ime. Zapreminski modeli mogu se dobiti i rotacijom odnosno translacijom odgovarajuih povrina kako je prikazano na slici 2.15. Pri ovome se ustanovi osnovna povrina koja se rotira ili translatira. Translacija moe biti sa pravom putanjom ili pak zakrivljenom.

Slika 2. 15 Zapreminski model dobijen translacijom i rotacijom osnovne povrine

Svi zapreminski modeli u CAD sistemu omoguavaju: provjeru tanosti dijelova koji ine sklop, formiranje modela za analizu metodom konanoh elemenata (FEM), analizu mehanizama i simulaciju njihovog rada, proraun teine, trita, momenta inercije i drugih karakteristika mainskog dijela, automatsku eliminaciju skrivenih linija i povrina i dobijanje ortogonalnih projekcija, promjene koje se automatski auriraju na sve projekcije predmeta.

Primjeri zapreminskih modela CATIA V5

24

25

26

27

28

2.2.4. Prijedlog principa modeliranja mainskih dijelova pomou raunaraPrema naprijed datoj analizi mainski dijelovi prema pogodnosti za modeliranje mogu se podijeliti u tri grupe: mainski dijelovi Spline konfiguracije, mainski dijelovi varijantnog i ponovljivog oblika i mainski dijelovi novog oblika.

Modeliranje mainskih dijelova sloene konfiguracije interaktivnim postupkomMainski dijelovi Spline konfiguracije su oni ije su neke povrine sloenog oblika (odlivci, presovani dijelovi i sl.) i ija se povrina ne moe razloiti na pravilne oblike ili matematiki opisati, slika 2.16 . Mainske dijelove ove konfiguracije nije mogue parametrizovati ili modelirati drugaije osim interaktivno. Za formiranje takvih modela potrebno je utroiti dosta vremena te je pogodno da se jednom formirani model sauva u grafikom obliku u grafikoj memoriji. Time se zauzima veliki memorijski prostor, ali broj ovakvih dijelova koje jedan korisnik treba da formira i da uva je mali.

a)

b)

Slika 2.16 Modeliranje: a) kuite centrifugalne pumpe, b) kuite ventila

29

Parametarsko modeliranjeVeina mainskih dijelova je varijantnog i ponovljivog oblika. Ove modele nije racionalno modelirati interaktivno nego je mnogo djelotvornije koristiti parametarsko modeliranje gdje se oblik modelira automatski i uva u vidu programa. Kao programski jezika za Auto CAD koristi se Auto LISP. On je prvi, najvaniji i najrasprostranjeniji jezik na kojem je najlake postii izvrstan nivo automatizacije. Uz pomo Auto LISP-a mogu se automatizovati radnje koje se esto ponavljaju, mogu se izraditi programi za parametarsko crtanje. Jednostavan primjer parametarskog crtanja je komanda Insert. Nakon pozivanja komande Insert i unosa imena bloka mogu se zadati faktori promjene njegove izvorne veliine za sva tri smjera koordinatnih osa kao i ugao rotacije. Na taj nain mogue je dobiti razliite veliine i poloaj elementa kojeg smo jednom definisali. Pomou ove komande moe se mijenjati samo veliina blokova, meutim ako treba crtati zupanik sa razliitim brojem zubaca tada nam komanda Insert ne moe pomoi. U svim podrujima tehnike esto se koriste elementi istog oblika a razliitih veliina, npr. cijevi prirubnice, itd. Trebalo bi napraviti jako mnogo blokova da bi se svaki standardni element brzo i jednostavno ubacio u nacrt. Kada je promjenljiva jedna veliina tada su blokovi najbolje rjeenje, ali ako varijacija zahtijeva veliku biblioteku slinih blokova parametarsko crtanje nudi fleksibilnost, smanjuje mogunost pogreke i vodi veoj efikasnosti. Parametarsko programiranje zasniva se na dvije pogodnosti. Prva od njih je to da se neki programski paketi za 3D prezentaciju snabdjeveni internim programskim jezicima pomou kojih se kreiranje oblika moe programirati, tzv. varijaciona geometrija. Druga pogodnost se sastoji u mogunosti da se izmeu dimenzija jednog mainskog dijela uspostave meuzavisnosti, odnosno da se izraze preko nekoliko veliina koje predstavljaju parametre. Time je omogueno da se oblik definie raunarskim programom za modeliranje mainskog dijela u kojem su ulazne veliine nazivne mjere. Najvei broj maiskih dijelova moe se definisati pomou nekoliko veliina, tj. dimenzija. Neke od njih su rezultat prorauna vrstoe, nosivosti ili sigurnosti a neke definiu odnos ovog dijela u odnosu na druge u sklopu. Radi ilustracije na slici 2.17 naveden je primjer mainskog dijela zupanika. Sve dimenzije su izraene preko tri veliine (prenik vijenca d , irina vijenca b - rezultat prorauna vrstoe i trea veliina prenik vratila d v sa kojom se glavina zupanika spaja). Dimenzije se izraunavaju linearnim transformacijama parametara, tj. mnoenjem odgovarajuim koeficijentima transformacije.

{qi } = [G ] {pi },

gdje je {qi } - matrica dimenzija, [G ] - matrica koeficijenata transformacije i {pi } - matrica parametara oblika. 30

b

g2 d0 s

du2

dg1

d df da31

du1

dg2

dV

g1 bg

g1

Slika 2. 17 Parametarsko modeliranje zupanika mainskih sistema Modeliranje u okviru ekspertnog sistemaModeliranje mainskih dijelova podrazumijeva donoenje veeg broja odluka. To su odluke u vezi sa formiranjem konture, odreivanjem parametara i dimenzija, usklaivanjem sa tehnolokim uslovima, materijalom, funkcijom, itd. Odluke donosi konstruktor tokom procesa modeliranja, ako nisu prenesene na softver za modeliranje. S obzirom da je grafiko prikazivanje zavrna radnja procesa modeliranja, to se u ekspertnom sistemu izdvajaju sljedei modeli: modeli za obradu podataka na osnovu znanja, tj. za proraune i analize, moduli za odluivanje i izvrni modul koji obezbjeuje stvaranje modela. Na slici 2.18 prikazana je prilagoena struktura ekspertnog sistema u ovom smislu.

D0

KORISNIK

KORISNIKA KOMUNIKACIJA

ADMINISTRACIJA EKSPERTNOG SISTEMA

BAZA PODATAKA

BAZA ZNANJA I STICANJE ZNANJA

DONOENJE ODLUKA

IZVRAVANJE OPERACIJA MODELIRANJA OVJEK EKSPERT

INENJERSKO ZNANJE

Slika 2. 18 Struktura ekspertnih sistema za modeliranje mainskih sistemaMogua su dva pristupa u razvoju ekspertnih sistema za modeliranje mainskih dijelova i to: modeliranje u sklopu razvoja odnosno konstruisanja cjelokupne strukture mainskog sistema i ekspertni sistemi za razvoj novih oblika odnosno novih mainskih sistema.

Modeliranje mainskih dijelova kod prvog pristupa je zavrna faza u tom procesu, te se u tom kontekstu moe primjenjivati parametarsko modeliranje. Parametri se izraunavaju u okviru modula koji se odnose na proraun kinematike, vrstoe, pouzdanosti i sl. Odluka o izboru inicijalnog oblika i o drugim parametrima je kljuna u ovom procesu. Izbor se vri u okviru poznatih varijacija oblika odreenih mainskih dijelova. Drugi pristup nije racionalno sprovoditi za sve dijelove maina. Prema nekim analizama to je opravdano samo u sluaju manjeg broja mainskih dijelova. Ekspertni sistem ovog tipa odlikuje se veoma sloenim procedurama odluivanja i izborom velikog niza elemenata vanih za definisanje oblika. Osim toga ovi ekspertni sistemi razvijaju se za odreeni tip mainskog dijela i teko mogu biti u veem stepenu univerzalni. Definisanje oblika poinje jo u fazi razrade koncepcije maine i podrazumijeva dovoenje u interakciju svih inilaca bitnih za oblik. Razvoj oblika mainskog dijela se odvija u nivoima tj. kroz faze procesa konstruisanja.

32

2.3. Analiza stanja dijelova i sklopova mainskih konstrukcija2.3.1. Analiza raspodjele napona u mainskom dijeluUtvrivanje ekstremne veliine napona zahtijeva poznavanje odnosno utvrivanje raspodjele napona u mainskom dijelu. Osim ekstremnih vrijednosti znaajne su i druge veliine napona s obzirom da razaranja ne moraju uvijek nastupiti na mjestima najveih napona. Raspodjela napona, sa razliitim stepenom tanosti, utvruje se na nekoliko naina. Lokalne veliine napona mogu se utvrditi pomou faktora koncentracije napona i nominalnih vrijednosti koje se izraunaju na osnovu jednaina iz otpornosti materijala. Nedostatak ovog pristupa je to se ne daje predstava o stanju napona na cijeloj zapremini i izrazi iz otpornosti materijala vae za idelizovane uslove, a faktori koncentracije napona su pribline veliine. Zbog jednostavnosti postupka izraunavanja dosta je u primjeni. Mjerenje optereenja odnosno radnih napona neposredno na dijelovima konstrukcije pri radu u izabranim uslovima eksploatacije vri se primjenom eksperimentalne tenzometrijske metode. Postupak mjerenja sastoji se u pretvaranju dilatacije karakteristinih dijelova konstrukcije u mjerljivu elektrinu veliinu. Ovo pretvaranje ostvaruje se pomou mjernih traka. Principijelna ema mjerenja dilatacija pomou mjernih traka data je na slici 2.19.

Slika 2. 19 Principijelna ema mjerenja dilatacija pomou mjernih trakaMjerna traka je osjetljivi zmijoliki provodnik koji se zajedno sa specijalnom folijom lijepljenjem nanosi na mainski dio. Ona istovremeno ini jednu granu Vistonovog mosta. Pod dejstvom sile na mainski dio, izduuje se ili sabija provodnik u mjernoj traci mijenjajui pri tome otpor. Usljed promjene otpora pri proticanju struje remeti se ravnotea Vistonovog mosta, a promjenu registruje galvanometar, tj. dobijamo vrijednost dilatacije

= l / l .Mnoenjem sa modulom elastinosti dobija se napon i izraunava se sila ili momentF = A ili M = W .

Na ovaj nain uspostavlja se veza izmeu napona i optereenja.

33

Slika 2. 20 Primjer primjene tenzometrije kod modelnih ispitivanja Metoda krtog laka omoguava da se utvrdi raspodjela napona bez mogunosti dobijanja i veliine napona. Mainski dio se premae specijalnim krtim lakom, a zatim nakon suenja izloi optereenju. Usljed deformacija u laku nastaju prskotine. Tamo gdje su prskotine gue naponi su vei i obrnuto. Ovim jednostavnim postupkom dobija se naponska slika u dijelovima vrlo sloenog oblika. Fotoelastinom metodom osim raspodjele napona u mainskom dijelu se dobija i veliina napona u pojedinim takama. U odnosu na prethodnu, ova metoda je sloenija. Potrebno je izraditi model mainskog dijela od specijalne plastine mase aroldita. Kada se model optereti i propusti polarizovana svijetlost, naponske linije postaju vidljive. Mogu se snimati i fotografisati na osnovu gustine izraunati veliine napona.

Slika 2.21: Primjer primjene fotoelastine metode

34

Metoda konanih elemenata omoguava da se primjenom raunara dobiju veliine napona ili deformacija u cijelom mainskom dijelu, slino eksperimentalnim postupcima, meutim uz znatno vie podataka. Usljed sloenosti i obimnosti postupka, ova metoda tek u novije vrijeme dobija iru primjenu i to zahvaljujui viem stepenu razvijenosti raunara i razraenim programima za njihovo izvoenje.

Slika 2.22: Primjeri primjene metode konanih elemenata

35

3. PRIMJENA RAUNARA U KONSTRUISANJU (CAD SISTEMI) 3.1 Proces konstruisanja, struktura i okruenjeProces konstruisanja je sloen tehniki, teorijski, eksperimentalni, informacioni odnosno misaoni proces koji se odvija u sloenom drutvenom, ekonomskom i tehnikotehnolokom okruenju. Nove metode u procesu konstruisanja, koje su se naglo razvile sa razvojem raunarske tehnike i CAD sistema nisu razdvojene od tradicionalnih. Smatra se da su nove metode rezultat samo jedne faze u razvoju procesa konstruisanja podstaknute razvojem novih sredstava u cilju da se neki dijelovi procesa efikasnije i bre izvedu. Meutim, nove tehnike koje se pojavljuju u zadnje vrijeme trae i novu filozofiju konstruisanja u pogledu modeliranja, analiza i proizvodnje odreenog dijela. Za razliku od poetne faze primjene raunara kada je CAD bio forsiran od pojedinih kompanija samo radi prestia, u posljednje vrijeme CAD sistemi su znaajno poboljani i danas neke konkurentske grane ne mogu preivjeti bez CAD-a. Npr. sa klasinim nainom konstruisanja nije mogue napraviti novi model automobila svake godine. To znai da je danas potrebno imati timove konstruktora, specijalista, analizatora, programera, itd. Da bi se uspjeno konstruisao novi proizvod potreban je timski rad. Kod timskog inenjeringa proces konstruisanja je vie paralelan nego sekvencijalan. Svi specijalizovani alati koji se koriste kod timskog rada su na istom raunarskom modelu. Model moe biti geometrijski nezavisan i baziran samo na njegovom obliku. Dakle, sva mjesta djelovanja na osnovni model su meusobno povezana, a to su mjesta konstruktora (dizajnera), testiranja, numerikog analiste i mjesta za NC alatne maine. Veina savremenih istraivakih projekata u podruju CAD-a usmjerena je ka primjeni CAD-a u svim fazama konstruisanja proizvoda. Pretpostavlja se da je za odreene klase problema i/ili zadatka u procesu konstruisanja mogue postaviti plan redoslijeda aktivnosti koji vodi ka rjeenju. Polazei od te pretpostavke i analize mogunosti dananjih CAD sistema moe se zakljuiti nunost postojanja programskih alata za povezivanje razliitih vrsta procesa obrade informacija o proizvodu, kao to su alati za povezivanje ekspertnih sistema sa klasinim CAD programima uskog domena i komercijalnih CAD paketa opte namjene. Razvoj programskih alata koji bi omoguili povezivanje ovih razliitih i esto inkompatibilnih vrsta programa trebao bi pridonijeti poveanju produktivnosti u procesu konstruisanja bar za odreene klase problema. Jedan od moguih naina integracije temelji se na koritenju planova koji opisuju aktivnosti od poetnog do eljenog stanja u procesu rjeavanja konstrukcijskog zadatka. Struktura planova za razmatranja karakteristika procesa konstruisanja proizala je iz razmatranja karakteristika procesa konstruisanja i mogunosti modeliranja procesa na raunaru. Sintaksa i elementi zapisa planova koncipirani su tako da prestavljaju osnovu za upravljanje skupom programskih alata sistema (ICAD). Koncepcija inteligentnog CAD sistama predvia i mogunost primjene metoda vjetake inteligencije koritenjem ekspertnog sistema kao akcijske funkcije. Ovako koncipirani CAD sistem trebao bi omoguiti konstruktoru okruenje za modeliranje podrke procesu konstruisanja kakvo njemu odgovara zavisno od vrste problema odnosno zadatka koji rjeava.

36

DEFINICIJA PROBLEMA

Manuelna i raunarska podrkaBaza podataka

KONCIPIRANJE

DIMENZIONISANJE OBLIKOVANJE

Geometrijsko modeliranje Programska podrka Baza podataka

ININJERSKA ANALIZA

RAZRAD Izrada konstruktivne

CATIA 5 TENZOMETRIJA

Slika 3. 1 Proces konstruisanja, struktura i primjena raunara

3.2 Konfiguracija CAD sistemaSvaki raunarski sistem sastoji se iz hardvera (HW) i softvera (SW), kao to je prikazano na slici 3.2(a), dok svaki CAD sistem sastoji se od CAD hardvera i CAD softvera, slika 3.2(b).

RAUNARSKI SISTEM

HARDWARE (HW)

SOFTWARE (SW)

a)

37

CAD SISTEM

CAD hardver

CAD softver

Raunar

Periferija

Aplikativni softver

Sistemski softver

b) Slika 3. 2 Raunarski sistem : a) struktura raunarskog sistema, b) struktura CAD sistemaUnutar grae hardvera razlikuje se obino raunar koji slui za obradu konvencionalnih zadataka ili specifian raunar odn. grafika stanica, zatim periferijski ureaji za prikazivanje odnosno unoenje i izlaz geometrijskih informacija. Softver se ekvivalentno dijeli na sistemski odnosno operativni sistem (pristup i upravljanje procesom rada) i specijalni softver npr. aplikativni softver za konsruisanje.

3.2.1 Osnovna graa hardveraKonfiguracija sa periferijom jednog CAD radnog mjesta u irem smislu moe obuhvatiti dosta elemenata: jedinicu za centralno procesiranje (CPU), jedinicu za grafiko procesiranje, alfanumeriki monitor, grafiki monitor za prikazivanje objekata, uveanje detalja i izmjene, grafiki monitor za sklopove, Hardcopy ureaj, alfanumerika tastatura, tablet za unos instrukcija sa meni listom, olovka za unos podataka, telefon za modem vezu, ploter (tampa), mi, skener, jedinice spoljne memorije koje se mogu koristiti kao rezervna memorija za preuzimanje crtea iz radne memorije ili za masovno arhiviranje podataka, tabla za crtanje, konvencionalni rad i skiciranje, itd. Treba naglasiti da svako CAD radno mjesto nema sve nabrojane elemente, zato to nije potrebno ili zato to nije racionalno instalirati sve elemente, a da nisu dovoljno iskoriteni. Tako pojedini elementi mogu biti zajedniki za vie radnih mjesta, npr. ploter, skener i sl. Izgled jednog radnog mjesta dat je na slici 3.3. Osim toga CAD radno mjesto moe se uvezati putem lokalne i globalne mree sa drugim radnim stanicama ili raunskim 38

centrima. Na taj nain sloeni proces konstruisanja moe se znatno olakati, jer su dostupne mnoge druge baze podataka u drugim srodnim centrima. Na slici 3.4 dat je jedan decentralizovan raunar sa 4 radna mjesta koja imaju ogranienu inteligenciju, a na slici 3.5 date su radne stanice sa vornim raunarom serverom koji su umreeni sa udaljenim raunarima.

Slika 3. 3 CAD radno mjesto

Slika 3. 4 Decentralizovani raunar sa 4 CAD radna mjesta

39

Slika 3. 5 Umreene radne stanice 3.2.2 Osnovna graa softveraSoftver ine programi i podaci koji omoguavaju koritenje hardvera. Na slici 3.6 data je podjela softvera.SOFTVER

PROGRAMI

PODACI

SISTEMSKI

APLIKATIVNI

OPERATIVNI SISTEM PREVODIOCI JEZIKA RAZNI POMONI PROGRAMI

KORISNIKI PISANI KOMERCIJALNI

Slika 3. 6 Podjela softvera40

Struktura CAD softvera moe biti jedno komponentna ili vie komponentna, zaviosno od sloenosti tretirane problematike. Osim toga, na to utiu i potrebe koje CAD sistem treba da obezbijedi. CAD softver treba da obezbijedi sinhrozinovano i automatizovano odreivanje procesa projektovanja i ostalih aktivnosti, pri emu stepen automatizacije moe biti potpun ili do izvjesnog stepena. Viekomponentni softver sastoji se iz tzv. modula koji mogu biti osnovni i posebni. U osnovne module spadaju: komunikacijski modul koji obezbjeuje komunikaciju izmeu projektantakonstruktora i raunara odnosno CAD sistema, geometrijski modelar za grafiku prezentaciju u prostoru 3D ili ravanskom 2D obliku, jedinstvena baza podataka sa geometrijskim modelima komponenata, sastavnicama, standardnim dijelovima i sl., modul za komunikaciju sa drugim CAD sistemima i modul za izradu tehnike dokumentacije. Posebni moduli koji mogu biti u CAD sisitemu su: modul za kreiranje koncepta proizvoda, modul za generisanje mree kod postupka metode konanih elemenata tj. FEM aplikacija i analiza (FEM Finite Element Method), modul za analizu i simulaciju mehanizma, modul za upravljanje datotekama, modul za povrinsko i zapreminsko modeliranje, modul za numeriki upravljanje maine tj. NC aplikacije, itd. Softver za grafiku prezentaciju postao je raznovrstan i pored nastojanja da se standarizacijom ogranie razliiti pristupi i nekompatibilnost. U toj raznovrsnosti mogu se izdvojiti softveri za: Grafiku pezentaciju skupova taaka koje predstavljaju rezultate prorauna i jednostavnih linija i kontura. Softveri za 2D prezentaciju. Moe se rei da je ovo alat za izradu crtea. Pribor za crtanje zamijenjen je raunarom i ploterom, tj. mehanizovani je nain crtanja. Softveri za prostornu 3D prezntaciju koji omoguavaju formiranje grafikih prikaza koji pruaju relativno velike mogunosti, tj. omoguavaju uvoenje principa za automatizaciju procesa konstruisanja a u daljem koraku stvaranje inteligentnih sistema za odvijanje ovog procesa. S obzirom na razliitost potrebe u modeliranju mainskih sistema, postavljaju se mnogi uslovi koje softver za grafiku prezentaciju i modeliranje treba da zadovolji. Ti uslovi se ogledaju u sljedeem: Softver treba da je u to veem stepenu integrisan od granine prezentacije, od solid prezentacije i od splajn prezentacije. Svaka prezentacija (bilo granina, solid ili splajn) treba da sadri to vei broj baznih oblika (entiteta i primitiva), koji se obrazuju zasebnim programima a omoguavaju efikasnije modeliranje. Pogodno je da osim najelementarnijih sadri i neke izvedene koji se esto ponavljaju, to modeliranje znaajno ubrzava.

41

Manipulacija sa baznim elementima mora biti jednostavna i ostvarivati se na vie razliitih naina (interaktivan rad, programiranje pomou internih programskih jezika). Neki od vanijih softverskih paketa za grafiku prezentaciju su: I-deas GEOMOD, proizvoa General Electronic, AutoCAD, proizvoa Autodesk, CATIA, proizvoa Dassault Systemes, ME, proizvoa Cadam/IBM, itd. Analizom ovih softvera moe se zakljuiti da njihove osobine samo djelimino zadovoljavaju napred postavljene uslove. Svaki od njih se zasniva na nekim ili na svim nainima grafike prezentacije, a sadre vie osnovnih i posebnih modula. Npr. softver I-deas posjeduje modul za projektovanje, modul za analizu MKE, modul za optimizaciju konstrukcija, modul za generisanje NC programa, itd. Za modeliranje u mainstvu potrebno bi bilo proiriti asortiman baznih oblika i na neke specifine koji se esto ponavljaju u mainskim konstrukcijama (oblik zupca zupanika, oblik navoja, razne vrste veza, spojeva i sl.).

3.2.3 Klasifikacija i tehnika rada CAD sistemaCAD sistem dakle, ine konstruktor, hardver, sistemski softver i CAD softver. Pod CAD procesom podrazumijeva se primjena CAD sistema za dobijanje tehnikih rjeenja, formalizacija procesa konstruisanja ili procesa planiranja proizvodnje i sl. Uvoenjem novog naina rada upotrebom CAD tehnologije naputa se konvencionalna tehnika komuniciranja izmeu tehnikih odjeljenja, koja je bazirana na tehnikom crteu, tj. tehnike informacije memorisane u modelu radnog komada u raunaru CAD sistema direktno se razmjenjuju izmeu CAD korisnika. Izmjenom modela ostvaruju se sljedee prednosti: smanjuje se potreba za ponavljanjem istih aktivnosti, bra razmjena informacija, smanjen udio manuelnog rada, integracija proizvodnih procesa pomou raunara, izmjena sistema ne utie na primarne konstrukcijske podatke, itd. Upotrebom CAD sistema omogueno je konstruktoru interaktivno koritenje ili opisivanje konstruktivnih elemenata i njihovo prikazivanje pomou raunara. Pomou integrisanih modula mogue je izvesti proraun, izradu crtea, simulaciju kretanja, analizu tolerancija i sl. Na ovaj nain konstruktor koordinira ovu primjenu i osloboen je rutinskog rada. CAD sistemi koji danas egzistiraju, mogu se podijeliti u tri grupe: sistemi raunarske grafike, fleksibilni CAD sistemi i zatvoreni CAD sistemi koji obuhvataju sve elemente poev od kanala podataka do ulaza i izlaza gotovog mainskog dijela.

42

Pored osnovnih tehnika rada, kao to su preslikavanje i sl., postoji i niz specijalnih tehnika rada pomou CAD sistema, koje omoguavaju znatno smanjenje trokova unosa podataka, a to su:

Tehnika ravni omoguava da se svaki crte rastavi u vie slojeva. Ovi slojevi su slini providnim folijama koje se mogu predstaviti pojedinano ili zajedno. Tehnika simbola se koristi za esto ponavljanje geometrijskih oblika, tj. kada treba obezbijediti da se samo jednom iscrtaju a potom memoriu. Tada se mogu po potrebi pozivati i ugraivati u aktivni crte pri razliitim razmjerama i pod proizvoljnim uglom. Tehnika makro naredbi se koristi za esto ponavljanje komandi, koje se mogu obuhvatiti zajednikom datotekom. Zahvaljujui ovoj mogunosti korisnik ne mora svaki put unositi ponavljanje naredbe. On treba pri tome da zada samo jednu specijalnu naredbu sa odgovarajuim nazivom datoteke. Tehnike varijanti je bazirana na primjeni programskih jezika koji pored standardnih mogunosti (postavljanje logikih pitanja, definisanje varijabli, pristup datotekama i aritmetike operacije) omoguava obradu grafikih informacija i interaktivnih naradbi CAD softvera. Fleksibilnost takvog programskog jezika se znatno poveava ako se u svakom trenutku u glavni program moe unijeti program npr. u Fortran-u i sl. Nedostatak ovog univerzalnog jezika je poveano vrijeme koritenja programa zbog mnogih interakcija i pristupa podacima na diskovima. Za variranje su najjednostavniji standardni dijelovi, familije dijelova, komplikovane konstruktivne grupe ali i svi postupci obrade koji se mogu varirati. Meni (Menu) tehnika daje mogunost smanjenja trokova pri unosu podataka. Naporno unoenje naredbi sastavljenih od slova i brojeva uz pomo tastature moe se izbjei koritenjem meni polja. Mogue je formirati problemski orijentirani meni npr. za 2D i 3D dimenzije, varijantne dijelove, meni za simbole, NC meni, itd.

43

3.3.

Interno raunarsko prestavljanje objekata

Proces projektovanja se moe smatrati kombinacijom percepcije i reprodukcije. Konstruktor ili projektant kada zapoinje proces projektovanja ima predstavu o objektu koja se zove percepcija, dok je opisivanje (usmeno ili pismeno) objekata reprodukcija. Da bi raunar zamijenio konstruktora i kod percepcije i kod reprodukcije mora postojati odgovarajui softver. Za definisanje samog modela objekta odnosno njegovo predstavljanje potrebno je utvrditi: geometriju, tj. dodijeliti vrijednosti kootdinata taaka objekta i topologiju, tj. utvrditi vezu tih taaka u prostoru. Poto je jedna taka odreena sa tri koordinate, odn. tri realna broja, a jedan broj zauzima jednu memorijsku lokaciju u raunaru to bi nam za predstavljanje nekog objekta trebao veliki broj podataka tj. veliki memorijski prostor. Zbog ovog neophodno je dati uproten prikaz podataka odnosno formirati model objekta koji sa zadovoljavajuom tanou opisuje njegov geometrijski oblik. Na putu od realnog objekta do kodiranja pomou BIT-a prolazi se kroz mnogostruke procedure promjena. Drugim rijeima geometrijski model moe da bude izraen kao: informacioni model koji daje apstraktno ili realno funkcionalno prestavljanje strukture elemenata koji ine geometrijski model, model podataka sa apstraktno logikim prestavljanjem, model memorisanja sa apstraktno parametarskim prestavljanjem i model memorije, tj. interno raunarsko predstavljanje (IRP). Put od realnog objekta do IRP-a svih modela dat je na slici 3.7.

44

Slika 3. 7 Procedura preobraaja modela podataka 3.3.1 Informacioni modelPrva procedura preobraaja na putu od realnog do internog raunarskog modela je apstrakcija i formalizacija u informacioni model. Pri tome su realni objekti raslanjeni po grupama, prostim elementima, povrinama, ivicama, takama, konturnim elementima, itd. Veliki znaaj na ovom nivou formalizacije ima razlika u 3D prostornom tj. zapreminskom modelu, 3D povrinskom, 3D ianom ili ivinom modelu i 2D modelu. Primjeri elemenata u informacionom modelu dati su na slici 3.8.

Slika 3. 8 Primjeri elemenata u informacionom modelu

45

3.3.2 Model podataka, model memorisanja, model memorijeModel podataka obuhvata iskljuivo logike aspekte strukturiranja podataka tj. ralanjivanje podataka preteno prema zahtjevima baze podataka. Dok se u modelima podataka razmatra logiko znaenje memorije, model memorisanja objanjava fiziko uvoenje podataka u memoriji. Tu se razlikuju tri modela: metod sekvencijalne organizacije, metod organizacije u obliku lista i metod direktnog pristupa. Model memorije odgovara slici podataka u fizikoj memoriji. Pri tome je vrlo bitno pitanje paginiranja a takoer i vremenski optimalno upravljanje pristupom podataka. Na slici 3.9 data je veza izmeu informacionog modela i modela organizovanog unutar raunara 3D prezentacije.

Slika 3. 9 Informacioni model i model unutar raunara

46

3.4 Baze podataka CAD datotekeKonstruktivni biro ne smije da se posmata kao izolovana cjelina u proizvodnom toku jer je povezan u mnogostruku informacionu mreu. Danas se smatra da ne samo protok materijala i energije nego i protok informacija unutar pogona prestavlja osnov dobrog planiranja. U svojim znaajnim detaljima, to mora biti unaprijed ustanovljeno i obezbijeeno interfejsima prema susjednim sistemima. Veza izmeu CAD softverskih sistema je oteana jer se razlikuje nain internog raunarskog prestavljanja podataka (IRP) za geometrijske, topoloke i tehnoloke karakteristike. Generalno, obzirom na softverske mogunosti, veza izmeu CAD sistema ostvaruje se kao na slici 3.10, dakle: veza pomou homogene baze podataka, a to znai primjena jednakog internog prestavljanja za sve module odnosno sisteme, veza pomou heterogene baze podataka, tj. primjena pre i postprocesora, da bi se podaci direktno prenosili izmeu sistema sa razliitim internim predstavljanjem podataka, veza pomou zajednike baze podataka, tj. povezivanje sistemskih baza podataka u jednu zajedniku bazu za sve siteme.

SISTEM 1IRP

IRP 1 SISTEM 1 veza SISTEM 3 veza veza veza veza

IRP 2 SISTEM 2 veza SISTEM 4 IRP 4 b) heterogeno IRP

SISTEM 2 SISTEM 3a) zajedniko IRP

IRP 3

IRP 1 SISTEM 1 veza veza SISTEM 3 IRP 3 c) zajednika baza podataka ZAJEDNIKA BAZA PODATAKA

IRP 2 SISTEM 2 veza veza SISTEM 4 IRP 4

Slika 3. 10 Veza CAD sistema

47

3.5 Standardi i interfeisi u raunarskoj grafici i CAD sistemimaJedan od vanih ciljeva grafikih standarda je osigurati zajedniki jezik za programere i korisnike grafikih aplikacija, tako da termini koji se koriste postanu dio jezika i budu razumljivi svim korisnicima. Posebno je vano obezbjediti da se izrada programa za formiranje i prikazivanje crtea i slike vri pomou standardnih grafikih sistema. Na taj nain dobijamo uniforman interfejs za korisnike i programere aplikacija. Postoje tri vrste korisnika raunarske grafike i to implementatori, programeri aplikacija i korisnici aplikacija. Implementatori grafikog sistema razvijaju grafiki sistem prema unaprijed definisanim specifikacijama. Razvojem osnovnog grafikog programskog sistema, oni omoguavaju koritenje grafike raunarske opreme od strane programera aplikacije. Programeri aplikacija upotrebljavaju pored ostalog i osnovni programski sistem da bi pisali programe koji koriste grafike funkcije raunara. Korisnici aplikacija ne piu, nego koriste aplikativne programe, tako to se kroz interakciju daju komande radi ostvarenja neke grafike funkcije. Naravno da korisnici ne moraju poznavati standardni grafiki sistem, niti programiranje. Neposredno vezivanje CAD sistem vri se preko interfejsa (programa za vezu). Zbog toga su interfejsi veoma bitan element integracije CAD sistema u proizvodnom okruenju kao i sa drugim slinim sistemima. Interfejsi su graeni prema ISO/OSI referentnom modelu (Internetionel Standard Organization / Open System Interconnection). Referentni model opisuje komunikaciju izmeu otvorenih sistema, tj. referentni model je prijedlog za nain standarizacije i prenos podataka.

3.5.1 Interfeisi izmeu CAD i drugih sistemaCAD sistemi omoguavaju projektovanje razliitih proizvoda koji se predstavljaju pomou odgovarajuih raunarskih geometrijskih modela proizvoda. Korisnici CAD sistema esto imaju potrebu prenoenja ili razmjene informacija o proizvodu sa drugim slubama i odjeljenjima koji su takoer korisnici CAD sistema. Prenoenje informacija o proizvodu vri se pomou datoteka koje sadre geometrijske i ne geometrijske podatke o strukturi i osobinama proizvoda. U cilju standarizacije ovih podataka, ANSI, DIN i ISO su definisali standard pod nazivom IGES (Inital Graphics Exchange Specification). To je nezavisan format podataka za prenoenje konstrukcija izmeu CAD sistema i njegovih dijelova, slika 3.11.

BAZA PODATAKA A

BAZA PODATAKA B

SISTEM A

IGES pre

IGES BP

IGES post

SISTEM B

Slika 3. 11 IGES interfejs

48

IGES je posebno naao primjenu kod razliitih CAD sistema za prenos podataka. Da bi se koristile IGES datoteke, CAD sistem mora da ima programske module za njihovo formiranje tj. generisanje i programske module za njihovo itanje i interpretaciju (tumaenje). Pored IGES datoteka u primjeni su i DXF (Drawing Exchange Format) datoteke. DXF datoteke su napravljene prvevstveno za prenos podataka crtea izmeu AutoCAD-a i ostalih CAD ili drugih programa za obradu podataka. Ovaj format nalazi primjenu i za druge svrhe, tako da moe znatno olakati projektantski i konstruktorski rad. Naime, iz DXF datoteke se jednostavno mogu vaditi odreene grupe podataka i u nekom dugom vanjskom progranskom jeziku mogu posluiti za razliite proraune. DXF format je jednostavan i razumljiv format koji je namijenjen prvenstveno za izmjenu informacija crtea izmeu aplikacija koje nemogu itati AutoCAD-ov standardni DWG format datoteke. Zato je DXF format datoteke postao standard za izmjenu informacija izmeu razliitih CAD i drugih programa (FEM, CAM).

3.6 Prcesori i postprocesoriSam CAD je najveim dijelom elektronski oblikovana crtaa tabla. On je prije svega prilagoen za 3D kreiranje objekata za varijantni metod konstruisanja. Meutim na ovo se moe dodati jo mnogo komponenata. To su prije svega preprocesori i postprocesori koji proiruju CAD u mnogim pravcima. Slika 3.12 prikazuje zahtjeve prema CAD sistemima i njihovom okolinom.

Upisivanje starih konstrukcija (Scanner)

Priprema podataka za meufaze FEM

Alati za oblikovanje

CAD

Optimiziranje: - cijene - tehnologije

Plan montae

Sastavnice i specifikacija

NC programiranje

Slika 3. 12 Okolina CAD i potreba za pre i postprocesorimaProcesori su samostalni dijelovi programa koji daju specifine izlaze. Preprocesori su programi koji predaju podatke CAD sistemima, a postprocesori su programi koji prerauju podatke iz CAD-a. Ustvari ti programi mogu takoe da preuzmu podatke iz CAD, prerauju ih i vraaju za obavljanje nekog meufaznog procesa ili ih dalje predaju za obavljanje naknadnog procesa izvan CAD-a. Dakle postoje pre i postprocesori u jednom sistemu. Prema svojoj funkciji u automatizaciji proizvodnje u oblasti CAD-a postoji znatno vie postprocesora nego preprocesora.

49

3.6.1 Numeriki upravljane alatne maine NC programiranjeKonstruisanje po CAD postupku obezbjeuje kao minimum geometriju proizvoda. NC maine, kao to su strugovi, glodalice i sl. koriste upravo to za definisanje radnog komada. Procesor rjeava tehnoloki proces, npr. redoslijed rezanja, alate, putanje alata i sl. Ovaj program prelazi u neki drugi format primjenom NC maine pomo jednog novog postprocesora koji odgovara tom tipu NC maine. Kod povezivanja NC programiranja sa CAD sistemima razlikuju se dva modela. Prvi model se odnosi na situaciju kad je u primjeni raunara u projektovanju proizvoda predhodila primjena raunara u projektovanju tehnologije za NC alatnu mainu. Drugi model povezivanja CAD sistema sa NC programiranjem omoguava opis radnog komada u obliku NC upravljakih informacija sa grafikom interaktivnom tehnikom kada CAD sistemi omoguavaju dobijanje NC geometrije na osnovu formiranog modela radnog komada u raunaru, slika 3.13.

Slika 3. 13 Izrada radnog komada na bazi CAD modela (CATIA V5)U toku projektovanja proizvoda pomou raunara u banci podataka se sukcesivno formira model radnog komada, kojim se opisuje raspored (topologija) geometrijskih elemenata u ravni 2D ili u prostoru 3D. Podaci o putanjama alata izraunavaju se automatski na osnovu memorisane geometrije radnog komada koja je formirana u toku procesa konstruisanja. Dobijene putanje alata se memoriu u CAD bazu podataka i sa modelom geometrije radnog komada formira geometrijski NC model alata od kojeg se formira posebna datoteka kao NC tehnoloki model. Povezivanje NC geometrijskog modela putanja alata sa unijetim NC tehnolokim modelom generie se program u nekom npr. CLDATA kodu. Preko postprocesora iz CLDATA koda dobijaju se upravljaki kodovi za alatnu mainu. Na ovaj nain se obezbjeuje moguost povezivanja numerikih upravljakih maina sa CAD sistemima. Na slici 3.14 dat je primjer primjene postprocesora.

50

Slika 3. 14 Postprocesori i NC programiranje 3.6.2 Metod konanih elemenataJednostavne proraune konsruktor obavlja sam ili u okviru CAD sistema pomou odgovarajuh programa iz klasine mehanike. Za kompleksne zadatke iz statike, dinamike, mehanike fluida, termodinamike i sl. primjenjuje se FEM. Za primjenu tog metoda potrebno je da se osnovna struktura geometrija radnog komada aproksimira pomou konanog broja jednostavnih elemenata. Ovako pripremljena struktura se formalno optereuje spoljanim silama ili temperaturama u vornim takama. Metod konanih elemenata je najmoniji i najvie koriten metod analize neprekidnih sredina. Veina savremenih CAD sistema ili posjeduje modul za analizu FEM ili posjeduje vezu sa poznatim programima za FEM. Te veze se ostvaruju na razliite naine, npr. prebacivanjem informacija o geometrijskom modelu pomou IGES datoteka, formiranjem modela za analizu FEM pomou CAD sistema i njegovim prebacivanjem u poseban dio na izvravanje analize, i tree, integrisanjem programa za analizu FEM u CAD sistem CATIA V5 (slika 3.15), tako da taj program postane modul CAD sistema. Povezanost izmeu CAD i FEM sistema, data je na slici 3.16 gdje je ujedno prikazano i mjesto preprocesora i postprocesora.

Slika 3. 15 Primjer primjene metode konanih elemenata CATIA V551

Slika 3. 16 Povezanost izmeu CAD i FEM sistema 3.6.3 Rapid prototyping tehnologijaRapid prototyping tehnologija automatizira proces izrade prototipa na osnovu trodimenzionalnog CAD modela. Nastali fiziki model daje punu informaciju o samom proizvodu ve u poetnoj fazi razvojnog ciklusa, koji koritenjem rapid prototyping tehnologije traje nekoliko dana dok isti period koritenjem konvencionalnih tehnologija izrade prototipa traje nekoliko sedmica. Koritenjem rapid prototyping tehnologije se, prema tome, moe znatno bre i jeftiniji izraditi prototip za razliku od konvencionalnih tehnologija. Rapid prototyping tehnologija je proces u kojem se vri dodavanje materijala. Najee se karakterizira po tipu materijala koji se u procesu koristi: fotopolimer, termoplastika ili neke vrste ljepila. Fotopolimerni sistemi koriste tekuu smolu koja se potom skruuje pod djelovanjem posebne vrste svijetla tano odreene talasne duine.

52

3. 6.3.1 CAD aplikacije i prijenos podatakaDa bi izradili predmet koritenjem rapid prototyping tehnologije, ista direktno ovisi o podacima dobivenim od CAD aplikacije. Rapid prototyping proces kreira fiziku kopiju raunarom konstruiranog modela. I najmanji nedostatak preciznog geometrijskog opisa CAD modela rezultirat e grekom na fizikom modelu. Trodimenzionalni CAD model bilo da je rije o tijelu (solid model) ili povrinskom modelu (surface model) predstavlja poetni korak ka izradi prototipa pomou rapid prototyping tehnologije. Preferiraju se tijela tj. modeli koji imaju volumen budui da povrinskim modelima nerijetko nedostaje dio podataka tako da se na povrini CAD modela pojavljuju greke u obliku praznina. Jednako tako povrinski modeli nisu tako dobri kao ispunjeni modeli po pitanju prikazivanja unutarnje geometrije tijela. Najee koritene CAD aplikacije za modeliranje su: - Dassault Systems CATIA - SDRC I-DEAS - GM Unigraphics II - Parametri Technologies Pro/ENGINEER Prijenos podataka od CAD alata do RP sistema vri se preko standardiziranih formata upotrebom posebnih programskih alata tzv. prevodioca. Najee koriteni format je .STL, a veina, ako ne i svi, CAD modeleri integralno podravaju navedeni format. STL format datoteke je standardni industrijski interface izmeu 3D CAD modeleara i rapid prototyping sistema. STL format je razvijen od strane Albert Consulting Group za 3D Systems, Inc. Stereolitography Apparatus, to je predstavljalo prvi komercijalni rapid prototyping sistem.

3. 6.3.2 PotporeVeina modela izraenih uz pomo rapid prototyping tehnologije zahtjeva neki oblik potporne strukture (Slika 3.17). Ove potpore sprjeavaju deformaciju modela dok se on generira kroz rapid prototyping proces. Deformacije se javljaju zbog promjene stanja materijala iz tekueg u kruto pri emu se on obino skuplja. Ovi gubici volumena uvjetuju nepravilnosti povrine pa su iz tog razloga nune potporne strukture koje to sprjeavaju. Jednako tako potporne strukture su nune za visee dijelove modela, budui bi dolo do njihove deformacije uslijed nedovoljne vrstoe materijala.

Kutna

Bazna

Slika 3.17: Razliite vrste potpora

53

Sistemi na laserski-fotopolimernoj osnovi kreiraju potporu neovisnu od samog izratka (prototipa). Rije je najee o tankim zidovima organiziranim u pravokutnu mreu radi njihovog lakeg uklanjanja nakon to je prototip u cijelosti izraen. (Slika 3.18)

Mode Potpore

Slika 3.18: Mreasti tip Potpore na CAD modelu za SL proces 3. 6.3.3 Primjer rapid prototyping procesaU daljnjem tekstu dat je jedan primjer RP sistema i procesa (Fused Deposition Modeling) . Svim procesima zajedniko je da model izrauju sloj po sloj, a takvi se procesi tj. tehnologije u literaturi nazivaju Layer Manufacturing Technologies (LMT).

Fused Deposition Modeling (FDM) je proces koji ne koristi laser. Razvio ga je 1988. godine Scott Crump predsjednik korporacije Stratasys Inc. u Minneapolisu, SAD. Zajedno s ureajem isporuuje se i programski paket komercijalnog naziva 3D Modeler. Rije je o programu koji je u stanju prepoznati i procesu prilagoditi iani (wire-frame), povrinski (surface) ili ispunjeni (solid) CAD model.

Slika 3.19: FDM sustav Stratasys Titan [www.stratasys.com]Proces izrauje model na principu polaganja slojeva rastopljenog termo-plastinog materijala, a zapoinje uitavanjem CAD modela u sistem. UNIX bazirana radna stanica, kao kontrolni raunar, u stanju je obraditi CAD modele pohranjene u razliitim 54

formatima npr. IGES (univerzalni format za razmjenu podataka meu razliitim 3DCAD aplikacijama), NC, ili .STL. Proces (Slika 3.202) zapoinje tako da se namotaj termo-plastinog punjenja prenika 1.27 mm, slinog obinoj ici, dovodi do zagrijane glave za ekstrudiranje. Sada ve tekui termo-plastini materijal odrava se na temperaturi koja je za jedan stupanj vea od temperature skruivanja i to do trenutka nanoenja na radnu plohu. Prema podacima dobivenim od kontrolnog raunara koji u horizontalnoj ravnini pozicionira glavu za ekstrudiranje, materijal se nanosi na radni sloj. Nakon nanoenja materijal se skruuje. Prvi sloj materijala nanosi se na horizontalnu ravnu plou napravljenu od stiropora. Ploa je uvrena na raunarom kontrolisanu platformu koja se po zavretku pojedinog sloja pomie vertikalno prema dole. Cijeli postupak se ponavlja dok se cijeli prototip ne izradi.

Ekstruder (trenutno aktivan)

Ekstruder (trenutno pasivan)

Slika 3.20: Shematski prikaz FDM procesa

Neki od sistemi imaju fiksnu radnu povrinu, a vertikalni pomak nakon kreiranja pojedinog sloja se ostvaruje pomicanjem glave za ekstrudiranje vertikalno prema gore. Ovaj proces ne zahtjeva naknadnu obradu modela. Debljina sloja je u rasponu od 0.025 do 1.27 mm. Materijali koji se koriste su mainski i ljevaki vosak. Izraeni prototip moe se naknadno bojati ili dodatno obraditi. Negativna strana procesa je to su potrebne potporne strukture za sve visee dijelove. Cijena ureaja se kree od 62,000 186,000 dolara (ovisno o modelu) u to je ukljuen software te pratea UNIX radna stanica.

55

Primjeri dijelova dobijenih rapid prototyping tehnologijom

56