Bài giảng CAD/CAM/CNC - Mô hình hóa khối đặc (Solid Modelling)

g ngoài vật thể, dễ phát hiện ra sự cố khi các thành phần tương tác với nhau b) Đảm bảo tự động xóa các đường khuất c) Tự động xây dựng các mặt cắt ba chiều, rất cần khi phân tích các đơn vị lắp ráp phức tạp d) Sử dụng các phương pháp phân tích tự động xác định chính xác trọng lượng và kết cấu một cách hiệu qủa bằng phương pháp phần tử hữu hạn e) Tạo ra những hình ảnh có chất lượng trên màn hình nhờ sử dụng nhiều màu sắc f) Nâng cao hiệu quả khi mô phỏng chuyển động của các cơ cấu, tạo ra các quĩ đạo chuyển động của dụng cụ và người máy. Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Có 2 phương pháp tạo mô hình khối đặc được ứng dụng: Phương pháp kết cấu – Constructive representation (C - rep) Phương pháp biên – Boundary representation (B - rep). Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Vật thể khối được xây dựng từ những khối nguyên thuỷ theo quy tắc tốn học Boole. Các khối nguyên thuỷ thường là những khối đơn giản với ít tham số. KHỐI HÌNH XÂY DỰNG Constructive Solid Geometry (CSG) Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Mỗi khối nguyên thuỷ được xác định bằng phương trình tốn học: Block: {(x, y, z): 0<x<w, 0<y<H, 0<z<D} Cylinder: {(x, y, z): x2+y2<R2, 0<z<H} Cone: {(x, y, z): x2+y2<((R/H)z)2, 0<z<H} Sphere: {(x, y, z): x2+y2+z2<R2} Wedge:{(x, y, z): 0<x<w, 0<y<H, 0<z<D, yw+xh<hw} Torus: {(x, y, z): (x2+y2+z2-R22-R12)2<4R22(R12-z2)} Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Các khối nguyên thuỷ được xử lý bằng các tốn tử Boolean: Hội = Union (*) Giao = intersection (*) Khử = difference (-*) Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Cấu trúc của các khốâi xây dựng được thể hiện dưới dạng cây nhi phân Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Constructive Solid Geometry (CSG) Thí dụ Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Các bước tạo vật thể C - rep Tạo các vật cơ bản: trụ, hộp, … Dùng các phép toán Boole để cộng, trừ hoặc giao các vật với nhau để tạo nên phần tử phức tạp hơn. Dùng các lệnh bo tròn, vát mép để tạo nên các mặt chuyển tiếp giữa các mặt giao nhau. Sau khi tạo được toàn bộ khối vật thể có thể dùng các mặt cắt, hình chiếu để rạo ra các hình vẽ 2D. Lên kích thước cho các hình chiếu 2D Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Ưu điểm của CSG: - Dễ xây dựng khối vật thể - Dữ liệu lưu trữ chỉ là cấu trúc nhị phân của các tốn tử và kích thước của các khối nguyên thuỷ. - Dễ sửa chữa khi thay đổi kết cấu - Các tốn tử Boolean luơn luơn đảm bảo để vật thể được xây dựng Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Constructive Solid Geometry (CSG) Nhược điểm: - Cấu trúc cây CSG làm cho khi thực hiện các chức năng khác với mơ hình hố thì phải tính tốn rất lớn. - Các vật thể nguyên thuỷ được lưu dưới dạng phân tích. Tuy nhiên các mặt khơng phải là các mặt phân tích như mặt Bezier thì khơng thể dùng CSG để biểu diễn được. - Cơng cụ nối mặt lập thể với các khối solid nguyên thuỷ cịn phải phát triển. Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Constructive Solid Geometry (CSG) - Do vậy trong phần lớn các hệ thống mơ hình hố, song song với việc lưu cấu trúc CSG, cịn lưu cấu trúc hình học biên, gọi là boundary representation (B-rep) mà trong đĩ biên của các khối hình học được lưu dưới dạng tham số. Phương pháp lưu thường dùng nhất là dưới dạng NURBS (Non-Uniform Rational B-spline) và các card graphic hiện đại đều cĩ thể đáp ứng được. Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Constructive Solid Geometry (CSG) Boundary Representation (B-rep)Khối hình học biên Một mơ hình B-rep là mơ hình được bao bởi các mặt biên. Các mặt này: Kín và liên tục Cĩ thể định hướng, nghĩa là cĩ thể phân biệt hai phía. Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Các phần mềm CAD/CAM thương mại thường cĩ thể biểu diễn vật thể 3D ở 2 dạng: Gần đúng Chính xác Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep) Boundary Representation (B-rep) Các phần tử hình học Điểm = points Đường = curves Mặt = surfaces Chúng được tạo ra, hiệu chỉnh và xử lý theo phép tốn của hình học Euclid Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Cấu trúc dữ liệu của một cạnh : Một cạnh Được bao bởi hai đỉnh Tiếp giáp chính xác với hai mặt Mỗi một cạnh tham gia hai vịng lặp,. Các vịng lặp được định hướng Trước Sau Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep) e v1 v2 fccw fcw Predecessor2 Predecessor1 Successor2 Successor1 fcw fccw v2 v2 e Predecessor2 Predecessor1 Successor2 Successor1 Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep) solid f6 f5 f4 f3 f2 f1 e6 e5 e4 e3 e2 e1 e12 e11 e10 e9 e8 e7 v4 v3 v2 v1 v8 v7 v6 v5 Face level Edge level Vertex level Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Winged edge structure Boundary Representation (B-rep) Các phần tử hình học là đỉnh = vertices cạnh = edges mặt = faces Vịng lặp = loops Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep) Các phần tử hình học được tạo ra và chỉnh lý bởi các tốn tử Euler Các tốn tử Euler đảm bảo tính thống nhất của model cho một cơ chế kiểm tra sự chắc chắn của model Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep) Các tốn tử Euler: Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Thí dụ: xây dựng một khối tứ diện dùng tốn tử Euler Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Thí dụ: xây dựng một khối tứ diện dùng tốn tử Euler (tiếp theo) Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Cơng thức Euler-Poincaré: 	V-E+F-(L-F) - 2(S-G) = 0 V - số lượng vertices (đỉnh) F - số lượng faces (mặt) E - số lượng edges (cạnh) L - số lượng loops (vịng biên kín ngồi hay trong các mặt) S - số lượng shell (vỏ. bản thân một khối solid đã là một vỏ, nên giá trị nhỏ nhất của vỏ bằng 1) G - số lượng genus (lỗ xuyên qua khối) Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep) Thí dụ Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep) ? ? B-rep và CSG CSG Các phần tử cơ cở là nguyên thuỷ Phép tốn: dùng các tốn tử boolean Cấu trúc dữ liệu Cây nhị phân Gọn nhẹ Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC B-rep Các phần tử cơ bản: đỉnh, mặt, cạnh (vertices, faces, edges) Tốn tử: tốn tử Euler Cấu trúc dữ liệu: Cấu trúc cạnh kiểu cánh (Wing edge structure) Khơng gian bộ nhớ lớn Ưu điểm căn bản của phương pháp B- rep là khả năng dễ dàng thay đổi hình dạng bề mặt do đĩ được dùng nhiều trong các hệ thống CADCAM Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC B-rep và CSG Kỹ thuật Voxel Kỹ thuật Grammar (nhân mảnh) Kỹ thuật Particle (tạo hạt) CÁC KỸ THUẬT MÔ HÌNH HOÁ KHÁC Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Tạo bởi một tập khối lập phương nhỏ Khơng gian ba chiều được chia ra thành những khối (tế bào) lập phương nhỏ với độ phân giải cho trước và khối vật thể được mơ hình hố bằng cách liệt kê danh sách các tế bào mà nĩ chiếm giữ. KỸ THUẬT VOXEL Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Ưu nhược điểm của Voxel Ưu điểm: Đơn giản Độ phức tạp như nhau cho tất cả các đối tượng Dùng các tĩan tử Boolean Nhược điểm: Chỉ gần đúng Địi hỏi bộ nhớ lớn Màn hình đắt tiền Dùng chủ yếu trong các máy Scanner trong y học Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Kỹ thuật Grammars tạo mô hình bằng cách dùng một tập các quy tắc nhân rộng các hình đơn giản Chúng được dùng để thể hiện cây cỏ, vỏ ốc hến, các mẫu trang trí trên tường, vải in Thí dụ các hệ thống tạo ra mô hình cây cỏ bằng kỹ thuật grammars Kỹ thuật Grammars (nhân mảnh) Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Kỹ thuật Particles (Tạo hạt) Dùng để biểu diễn các mô hình động và các hiện tượng như mây, khói, lửa, nổ, v.v… Các phần tử cơ bản là những hạt có hình dạng khác nhau như hình cầu, hình ellipse, giọt nước Các hạt phát triển tuỳ theo đặc điểm thời gian, hình thù, quỹ đạo, và các đặc điểm khác Đặc tính của các hạt bị ảnh hưởng bởi lực đặc biệt như trọng lực, lực từ trường, v.v… Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC KỸ THUẬT DROP (TẠO GIỌT) Chúng là những hình cầu mềm dẻo với trường lực hấp dẫn hoặc xô đẩy. Khi hai giọt gặp nhau, chúng trộn vào nhau và tạo thành một giọt Phạm vi ứng dụng: Tạo các mô hình phân tử Tạo mô hình dòng chảy Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC TĨM LƯỢC Cĩ nhiều cách tạo mơ hình 2D 3D Khung dây Mặt Khối ( C-rep, B-rep, Voxel, Grammar, Particles, Drop) Hiểu biết và sử dụng chúng trong cơng tác thiết kế sản phẩm sẽ rất thuận lợi. Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC NHỮNG ĐẶC ĐIỂM KHÁC CỦA CAD VÀ SỰ TÍCH HỢP CAD/CAM Phần lớn hệ thống CAD đều có khả năng mở rộng để xây dựng bản vẽ thiết kế. Những khả năng này là: 1/ Tự động tạo nét gạch chéo mặt cắt trên bản vẽ 2/ Khả năng viết chữ trên bản vẽ (kích thước và kiểu chữ) 3/ Ghi kích thước tự động. Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC - Tất cả những đặc điểm trên là rất hữu ích, nó giúp giảm thời gian thiết kế và in bản vẽ. - Một hệ thống tích hợp CAD/CAM có lợi ích to lớn hơn nhiều so với những hệ CAD và CAM riêng rẽ. - Việc tạo cầu nối CAD và CAM là mục tiêu đặc biệt của hệ thống CAD/CAM. ------ Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC