Πανεπιστήμιο Πατρών – Ενδοπανεπιστημιακά Δίκτυα – Δίκτυο PROCEN Χαρακτηριστικά και Σύγχρονες Τάσεις στα Εργαλεία Παραμετρικού Σχεδιασμού Χρήστος Α. Παπαδόπουλος Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήμα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΕΡΟΣ Α’: ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΜΕΡΟΣ Β’: ΓΡΑΦΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΜΕ Η/Υ Γ’ ΜΕΡΟΣ: ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ Δ’ ΜΕΡΟΣ: ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ

ΜΕΡΟΣ Α’ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ

Ιστορία και ανάπτυξη του CAD/CAM

Ιστορία και ανάπτυξη του CAD/CAM Γραφική επικοινωνία: Έλληνες Αρχαίοι Αιγύπτιοι Ρωμαίοι Leonardo da Vinci (1452-1519): Σχέδια, Μηχανές Μηχανισμοί, Ρομπότ (Codex Atlanticus)

Κατασκευές από σχέδια του L.daVinci

Ιστορία και ανάπτυξη του CAD/CAM Gaspard Monge (1746-1818): Γάλλος φυσικο- μαθηματικός. Σε ηλικία 16 ετών έγινε καθηγητής στο Παν/μιο της Λυών. Έγραψε το πρώτο βιβλίο τεχνικού σχεδίου στην Ευρώπη με τίτλο «Geometrie Descriptive». Στο βιβλίο αυτό έδειξε ο Monge ότι μπορούμε να παραστήσουμε ένα τριδιάστατο αντικείμενο επακριβώς, σχεδιάζοντας διάφορες όψεις και/ή τομές του με συγκεκριμένους κανόνες. Θεωρείται ο θεμελιωτής της παραστατικής Γεωμετρίας

Το CAD τη δεκαετία 1950-1960 Ivan Sutherland (1938-): Αμερικανός επιστήμων υπολογιστών. Κατά την εκπόνηση της διδακτορικής του διατριβής στο ΜΙΤ, το 1958, εφεύρε το Sketchpad, ένα καινοτόμο πρόγραμμα, αλληλεπίδρασης οθόνης TV με υπολογιστή και παρουσίαση γραφικών. Θεωρείται το πρώτο CAD υπολογιστικό πρόγραμμα. Επίσης αργότερα το 1968 μαζί με τον μαθητή του Bob Sproul, στο Harvard κατασκεύασαν την πρώτη μηχανή εικονικής πραγματικότητας. Aναπτύσσεται η γλώσσα προγραμματισμού APT (Automatically Programmed Tools) μια υψηλού επιπέδου γλώσσα προγραμματισμού για υπολογιστές

Το CAD τη δεκαετία του 1970 Εμφανίζεται και αρχίζει να χρησιμοποιείται ο όρος CAD. Πρόκειται κυρίως για προσπάθειες ψηφιοποίησης της δισδιάστατης σχεδίασης. General Motors: (1964) DAC-1 (Design Automated by Computer) Lockheed Aircraft: (1965) CADAM Bell Phone Labs: (1965) GRAPHIC-1 Ο K. Vesprille's (Πανεπιστήμιο των Συρακουσών) το 1975 στη διατριβή του με τίτλο "Computer-Aided Design Applications of the B-Spline Approximation Form", μαζί με προγενέστερες εργασίες των de Casteljau, Bezier, Coons and Forrest έθεσαν τις βάσεις της μοντελοποίησης σύνθετων 3D καμπυλών και επιφανειών στις οποίες το 3D λογισμικό στηρίζεται μέχρι σήμερα.

Το CAD τη δεκαετία του 1980 Η εξέλιξη των εφαρμογών CAD είναι μια διελκυστίνδα ανάμεσα στο software και το hardware. Σημαντικό ρόλο έρχεται να διαδραματίσει και το λειτουργικό σύστημα που συνδέει αυτά τα δύο. Η Dassault Systèmes (1977) ανέπτυξε το 3D-CAD λογισμικό CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) που χρησιμοποιείται με μεγάλη εμπορική επιτυχία μέχρι σήμερα.

Δεκαετία 1990 Δεκαετία έρευνας και εξελίξεων. Νέες θεωρίες και αλγόριθμοι. Νέα πιο γρήγορα και πιο φθηνά μηχανήματα. Τρισδιάστατα γραφικά, Επιφάνειες, Coons, Bezier και Gordon. Mass properties calculations, NC milling, FE applications. Μηχανισμοί, ανάλυση και εξομοίωση Robots κλπ Solid Modeling: GMSolid (General Electric) Romulus (ShapeData) PADL-2 (Univ. of Rochester) SynthaVision-based (Applicon) Solidesign (Computervision)

Δεκαετία 2000 Νέοι αλγόριθμοι σχεδιασμού και παραγωγής Νέα καλύτερα και ταχύτερα μηχανήματα Δίκτυα και λογισμικό επικοινωνίας (Web enabled CAD) Internet, e-mail, ftp Το Ford Mondeo σχεδιάστηκε εξ ολοκλήρου «Ιντερνετικά» χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα Ford's C3P (CAD CAM CAE PDM) σε 1/3ο του απαιτούμενου παραδοσιακού χρόνου Εικονική ανάπτυξη προϊόντος (virtual product development) Οι τέσσερις κυρίαρχοι της αγοράς: Dassault Systèmes, Parametric Technology, Unigraphics Solutions and SDRC (Structural Dynamics Research Corporation)

Σύγχρονες τάσεις Στα μέσα περίπου της τρέχουσας δεκαετίας, η βιομηχανία λογισμικού CAD κυριαρχείται από τρεις προμηθευτές λύσεων PLM IBM-Dassault Systèmes με το CATIA & ENOVIA UGS με το Unigraphics & iMAN, και PTC με το Pro/Engineer & WindChill Autodesk, με λίγο μικρότερο μερίδιο αγοράς από τη Dassault Systèmes και πάνω από τριπλάσιο της PTC Το SolidWorks και το SolidEdge (ανήκουν αντίστοιχα στη Dassault Systèmes και UGS) συνεχίζουν να αγωνίζονται με το Inventor της Autodesk στην αγορά CAD λογισμικού μεσαίας τιμής και Επίσης υπάρχουν αρκετές μικρές εταιρείες CAD λογισμικού, που επέζησαν λόγω της αριστείας τους σε επι μέρους αντικείμενα της αγοράς, διατηρώντας τη συμβατότητά τους με τα προϊόντα των τεσσάρων ηγετών στο χώρο.

Πρόβλεψη για το μέλλον Παρακινδυνευμένο να προβλέψει κανείς το μέλλον. Μεγάλα – μικρά συστήματα για μεγάλες – μικρές επιχειρήσεις. Χρήση περιβάλλοντος εργασίας για δημιουργία νέων εφαρμογών. Μεγαλύτερη εξειδίκευση. Περισσότερο διαδίκτυο και στον παράλληλο ή συνεργατικό σχεδιασμό PLM ?

ΓΡΑΦΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΜΕ Η/Υ ΜΕΡΟΣ Β’ ΓΡΑΦΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΜΕ Η/Υ

Computer Graphics Μοντέλα συρματικής αναπαράστασης ή ακμών ή δικτυωμάτων Μοντέλα επιφανειακής αναπαράστασης ή επιφανειών Μοντέλα στερεάς αναπαράστασης ή στερεών

Συρματική αναπαράσταση Καμπύλες αναλυτικής έκφρασης Ευθεία, καμπύλη, κύκλος, έλλειψη, παραβολή, υπερβολή Καμπύλες μη αναλυτικής έκφρασης Κυβικές καμπύλες ή καμπύλες τρίτου βαθμού Bezier B-Splines NURBS T-splines

Επιφανειακή μοντελοποίηση Επιφάνειες αναλυτικής έκφρασης Επίπεδες επιφάνειες Επιφάνειες σαρώσεως Επιφάνειες εκ περιστροφής Οδηγούμενες επιφάνειες Επιφάνειες μη αναλυτικής έκφρασης Κυβικές επιφάνειες Bezier επιφάνειες B-Splines επιφάνειες T-Splines επιφάνειες

T-splines vs. B-splines Οι ενώσεις των επιφανειακών τμημάτων B- splines, παρουσιάζουν ατέλειες οι οποίες επιλύονται με τα επιφανειακά τμήματα T- splines.

Σύγκριση NURBS και T-Splines Πλέγματα ελέγχου NURBS και T-spline για μοντέλο κεφαλής: 4800 σημεία ελέγχου NURBS; 1100 σημεία ελέγχου T-spline Μοντέλο καφαλής με NURBS και T-spline. Μοντέλο αυτοκινήτου με χρήση T-splines. Έγινε στο ένα τέταρτο του αντίστοιχου χρόνου μοντελοποίησης με NURBS.

Σύγκριση NURBS και T-Splines

Στερεά μοντελοποίηση Χρήση παραμετροποιημένων οικογενειών αρχετύπων (πχ. Κοχλιών, Ρουλμάν κλπ) Οριακή αναπαράσταση (boundary representation): το στερεό ορίζεται από τη τοπολογία των ορίων του. Κατασκευαστική στερεά γεωμετρία (Constructive Solid Geometry): Χρήση αρχετύπων (πχ. Ορθογώνιο, σφήνα, σφαίρα κλπ) και πράξεων συνόλων (πχ. Ένωση, τομή κλπ) για τη κατασκευή του στερεού.

Παραμετρική στερεά μοντελοποίηση: οικογένειες αρχετύπων Οι διαστάσεις είναι παράμετροι του μοντέλου πχ. Το άγκιστρο του σχήματος σχεδιάζεται μια φορά και επιλέγοντας τις παραμέτρους 1 μέχρι 6 έχουμε διαφορετικό αποτέλεσμα.

Στερεά μοντελοποίηση – αρχέτυπα Τα αρχέτυπα εισάγονται σε κατάλληλες διαστάσεις, τρο-ποποιείται η θέση τους με σκοπό το σχηματισμό του αντικειμένου στόχου. Τα βασικά αρχέτυπα είναι: Ορθογώνιο παραλ/πεδο Κύλινδρος Κώνος Σφαίρα Σφήνα Τοροειδές

Στερεά μοντελοποίηση: Πράξεις συνόλων

Κατασκευαστική στερεά γεωμετρία (Constructive Solid Geometry): Με την εισαγωγή και ένωση των κατάλληλων αρχετύπων στο προδιαγεγραμμένο μέγεθος, σχηματίζεται το επιθυμητό στερεό. Στο σχήμα φαίνεται το δένδρο των λειτουργιών

Αναπαράσταση σαρώσεως: στερεά ή επιφάνειες Η σάρωση ακμών ή επιφανειών, κατά μήκος γενέτειρας (ευθείας ή καμπύλης) ή περί άξονα συμμετρίας, δημιουργεί επιφάνειες σάρωσης ή στερεά σάρωσης αντίστοιχα. Διακρίνουμε παράλληλη ή κάθετη σάρωση ανάλογα με το προσανατολισμό των ακμών ή επιφανειών ως προς τη γενέτειρα.

ΜΕΡΟΣ Γ’ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΜΕΡΟΣ Γ’ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ

Πολυπλοκότητα και χρόνος κατασκευής

PLM: Product Lifecycle Management

PLM: Product Lifecycle Management Το προϊόν φθάνει πιο γρήγορα στην αγορά Βελτιώνεται η ποιότητα του προϊόντος Μειώνεται το κόστος κατασκευής πρωτοτύπων Εξοικονόμηση από επανάχρηση αρχικών δεδομένων Διαμόρφωση πλαισίου βελτιστοποίησης του προϊόντος Εξοικονόμηση από μείωση φύρας Εξοικονόμηση από τη πλήρη ολοκλήρωση του κύκλου εργασιών του μηχανικού

PLM: Product Lifecycle Management Το PLM δεν είναι ένα προϊόν που μπορούμε να αγοράσουμε. Είναι μια σχετικά νέα προσέγγιση στην ολοκλήρωση των ήδη διαθέσιμων εργαλείων (CAD/CAM, ERP, CAE, PDM κλπ.) μαζί με νέα συστήματα, όπως πλατφόρμες ή πύλες συνεργασίας, που περιλαμβάνει και ελέγχει τη δημιουργία, τα απαραίτητα τεστ, την κατασκευή, τις υπηρεσίες, την απόσυρση και τη διαδικασία ανακύκλωσης.

ΜΕΡΟΣ Δ’ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΜΕΡΟΣ Δ’ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ

Dassault Systèmes – PLM Το PLM λογισμικό και υπηρεσίες της Dassault Systèmes (DS) σχεδιάστηκαν με στόχο να κάνει ικανό το χρήστη να εξομοιώσει, σε ένα 3D συνεργατικό περιβάλλον, ολόκληρο τον κύκλο ζωής ενός προϊόντος, από το στάδιο της σύλληψης της ιδέας μέχρι την ανάπτυξη, κατασκευή και χρήση σε λειτουργία. Αυτές οι PLM λύσεις διευκολύνουν την ταυτόχρονη σύμπραξη πολλών διαφορετικών λειτουργιών που εμπλέκονται στο PLM: μηχανική, στρατηγική, αγορά και πωλήσεις, προγραμματισμός και παραγωγή, προμήθεια, οικονομικά και ανθρώπινο δυναμικό καθ’ όλη τη διάρκεια της εφοδιαστικής αλυσίδας.

Dassault Systèmes - PLM

CATIA- Part Design Το Part Design παρέχει ένα βασικό σετ ολοκληρωμένων εργαλείων για το σχεδιασμό στερεών αντικειμένων. Χρησιμοποιώντας τα διαθέσιμα εργαλεία, σε συνδυασμό με τις διαθέσιμες πράξεις συνόλων (Άλγεβρα Boole), ο χρήστης μπορεί να δημιουργεί πολλαπλές όψεις και γεωμετρικές σχέσεις από τα μοντέλα. Με εργαλεία διαχείρισης προδιαγραφών, οι οποιεσδήποτε αλλαγές πραγματοποιούνται γρήγορα και απλά. Η δυνατότητα αυτή είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε περιβάλλοντα πολλών χρηστών και αυξάνει την παραγωγικότητα.

CATIA- Wireframe and Surface To Wireframe and Surface χρησιμοποιείται για τη δημιουργία συρματικών και επιφανειακών αναπαραστάσεων. Επίσης μπορεί επίσης να εμπλουτίσει τη διαδικασία σχεδίασης στερεών μοντέλων με τη δυνατότητα δημιουργίας απλών επιφανειών.

CATIA- Structure Design Συνεργάζεται πλήρως με όλες τις υπόλοιπες εφαρμογές του CATIA V5, πχ. Για τη μελέτη της αντοχής σε ενδεχόμενες καταπονήσεις.

CATIA- Weld Design Το Weld Design είναι μία εφαρμογή η οποία χρησιμεύει στον καθορισμό συγκολλήσεων σε συναρμολογήσεις. Δεκαπέντε τύποι συγκολλήσεων (Βάσει ISO), παρέχονται στους χρήστες για τη δημιουργία των απαραίτητων συγκολλήσεων, την προετοιμασία των μοντέλων και τον καθορισμό των συναφών σχολίων. Το προϊόν απευθύνεται σε εταιρίες που ασχολούνται με μηχανολογικούς εξοπλισμούς και καλούπια και τους παρέχει προηγμένες δυνατότητες καθορισμού συγκολλήσεων.

CATIA- Assembly Design Το Assembly Design βοηθά τους σχεδιαστές να διαχειρίζονται μεγάλες συναρμολογήσεις στις οποίες μπορεί να μετέχουν μοντέλα υπό μορφή CATIA V5, CATIA V4, STEP, VRML. Παραγωγικά εργαλεία, όπως η αυτόματη δημιουργία διασκορπισμένων όψεων, ο έλεγχος για τυχόν συγκρούσεις και η αυτόματη δημιουργία της λίστας υλικών (BOM) μειώνουν δραματικά το χρόνο εργασίας και αυξάνουν την ποιότητα.

Dassault Systèmes - ENOVIA Το ENOVIA είναι μια λύση της DS’ απευθυνόμενη σε γενικό συνεργατικό περιβάλλον για βελτιστοποίηση των διαδικασιών μιας επιχείρησης. Το ENOVIA παρέχει ένα σύνολο ολοκληρωμένων λύσεων ώστε να βοηθήσει πελάτες να δημιουργήσουν συνεργατική ψηφιακή επιχείρηση. Δίνει τη δυνατότητα σε ομίλους να εγκαθιδρύσουν μοναδικές ψηφιακές περιοχές εργασίας για ολοκληρωμένο σχεδιασμό σε όλο το εύρος της επιχείρησης, μηχανική και κατασκευή, διαχείρηση των ψηφιακών τους προϊόντων σε κάθε στάδιο του κύκλου ζωής του και εξομοιώνει ειδικές διεργασίες.

Dassault Systèmes – DELMIA PLM

Dassault Systèmes – DELMIA PLM Προγραμματισμός παραγωγής (προγραμματισμός διαθέσιμων μηχανών, μέτρηση χρόνων, ανάλυση κόστους, ισοφόρτιση εργοστασιακών γραμμών), Λεπτομερειακός προγραμματισμός και επιβεβαίωση (όπως σειρά συναρμολόγησης, προγραμματισμός επιχείρησης και ανεξάρτητων μονάδων (cell) και λειτουργίες κατεργασιών) και Μοντελοποίηση και εξομοίωση πόρων (όπως ρομπότ, εργαλειομηχανές, εξαρτήματα, μέρη αυτοματοποίησης, και εργονομία λειτουργιών).

Dassault Systèmes - SIMULIA Αυτή η σειρά λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων (FEA) επιτρέπει στο μηχανικό να δημιουργήσει εικονικά πρωτότυπα ελέγχου για σύνθετα προϊόντα και διαδικασίες. Ο κλάδος του SIMULIA περιλαμβάνει το Abaqus και άλλα εργαλεία εξομοίωσης της Dassault Systèmes.

3DVIA – Δημιουργία υλικού Τεκμηρίωσης 3DVIA – To λογισμικό αυτό δημιουργεί υλικό τεκμηρίωσης προϊόντος. Με τη χρήση 3D CAD δεδομένων αυτοματοποιεί και επιταχύνει την διαδικασία τεκμηρίωσης του προϊόντος σε πλήθος διαφορετικών γλωσσών. Από την άμεση εισαγωγή CAD δεδομένων, όπως πολύπλοκα συναρμολογήματα χιλιάδων κομματιών, είτε αυτά είναι SolidWorks,  CATIA V4, V5, Pro/E, IGES, STEP ή άλλα, μέχρι την δημιουργία ποιοτικού έντυπου ή ψηφιακού υλικού τεκμηρίωσης, αλλά και αποτελεσματικής κινούμενης εικόνας (video animation).

Ψηφιακή προτυποποίηση Η ψηφιακή προτυποποίηση δίνει στις ομάδες του θεμελιώδους σχεδιασμού, της ανάλυσης - σύνθεσης και της κατασκευής τη δυνατότητα να αναπτύξουν ψηφιακά ένα πλήρες προϊόν πριν αυτό υλοποιηθεί (κατασκευαστεί). Με την ψηφιακή προτυποποίηση ο κατασκευαστής μπορεί να σχεδιάσει, να απεικονίσει και να εξομοιώσει λειτουργικά προϊόντα από τη φάση του θεμελιώδους σχεδιασμού μέχρι τη διαδικασία κατασκευής. Με τη χρήση των ψηφιακών προτύπων ο κατασκευαστής μπορεί να απεικονίσει και εξομοιώσει λειτουργικά την επίδοση τους σε πραγματικές συνθήκες, βοηθώντας στη μείωση της εξάρτησής τους από τη κατασκευή ακριβών φυσικών προτύπων.

Autodesk: Ψηφιακή προτυποποίηση Engineering Simulation Digital Prototyping begins with the idea of defining the form and fitting the parts together (3d design, as illustrated on slide 4). But it quickly moves beyond that into assessing The way things move Whether or not they fail How the various components of the product interact with subsystems, be they pneumatic or electric And, ultimately, it looks at the performance from a form, fit, and function perspective of the entire design. And it does this all in the computer before anything is ever built. Manufacturing Visualization

Ψηφιακή προτυποποίηση: οφέλη

Συμπεράσματα Παρουσιάστηκαν συνοπτικά η φάση της προϊστορίας του σχεδιασμού από την αρχαιότητα μέχρι τη δεκαετία του ΄50, και η φάση της ιστορίας του CAD/CAM από τη δεκαετία του ΄50 μέχρι σήμερα. Τα σύγχρονα εργαλεία σχεδιασμού προϊόντων παρέχουν τη δυνατότητα και το περιβάλλον για πλήρη εικονικό σχεδιασμό, συναρμολόγηση, κατασκευή, κινηματική και δυναμική ανάλυση, εξομοίωση λειτουργίας, τεκμηρίωση, συντήρηση, απόσυρση και ανακύκλωση. Το πλαίσιο της προσέγγισης αυτής ονομάζεται Δια Βίου Διαχείρηση Προϊόντος.