Cơ khí chế tạo máy - Mô hình hóa khối đặc (solid modelling)

4.5. MÔ HÌNH HÓA KHỐI ĐẶC(SOLID MODELLING)Khái quátPhương pháp kết cấu (Constructive Representation)Phương pháp biên (Boundary Representation)Các phương pháp khácTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Khái quátMô hình khối rắn được bao bởi thể tích 3 chiều mà vật đó chiếm. Như vậy mô hình khối rắn là phương tiện duy nhất đảm bảo hình dung đầy đủ về vật thể trong không gian 3 chiều. Đây là phương pháp hiện đại nhất và mạnh nhất trong tất cả các phương pháp hiện có. Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Ưu điểm của mô hình khối rắn:a) Xác định đầy đủ hình khối, phân biệt rõ vùng trong và vùng ngoài vật thể, dễ phát hiện ra sự cố khi các thành phần tương tác với nhaub) Đảm bảo tự động xóa các đường khuấtc) 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 sắcf) 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 toán học Boole. Các khối nguyên thuỷ thường là những khối đơn giản với ít tham số.blockparameter: length, width,heightcylinderparameter: radius, heightconeparameter: radius, heightTorusparameter: two radiiwedgeparameter: length, width, heightSphereparameter: radiusKHỐI 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 toán 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 toán 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 phânHộiGiaoKhửTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Constructive Solid Geometry (CSG)Thí dụyxzRigid motion transformationRigid motion parametersyxzConfiguration parametersyxzConfiguration parameterszxyConfiguration parametersyxz-yzTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Các bước tạo vật thể C - repTạo 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 2DTrường 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 toán tử và kích thước của các khối nguyên thuỷ.- Dễ sửa chữa khi thay đổi kết cấu- Các toán tử Boolean luôn luôn 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 mô hình hoá thì phải tính toán rất lớn. - Các vật thể nguyên thuỷ được lưu dưới dạng phân tích. Tuy nhiên các mặt không phải là các mặt phân tích như mặt Bezier thì không thể dùng CSG để biểu diễn được.- Công cụ nối mặt lập thể với các khối solid nguyên thuỷ còn 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 mô hình hoá, song song với việc lưu cấu trúc CSG, còn lưu cấu trúc hình học biên, gọi là boundary representation (B-rep) mà trong đó 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 có 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 biênMột mô hình B-rep là mô hình được bao bởi các mặt biên. Các mặt này: Kín và liên tụcCó thể định hướng, nghĩa là có 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 có thể biểu diễn vật thể 3D ở 2 dạng:Gần đúngChính xácTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep)Boundary Representation (B-rep)Các phần tử hình họcĐiểm = pointsĐường = curvesMặt = surfacesChúng được tạo ra, hiệu chỉnh và xử lý theo phép toán 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 đỉnhTiếp giáp chính xác với hai mặtMỗi một cạnh tham gia hai vòng lặp,.Các vòng lặp được định hướngTrướcSauTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep)ev1v2fccwfcwPredecessor2Predecessor1Successor2Successor1fcwfccwv2v2ePredecessor2Predecessor1Successor2Successor1Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep)f1f2f3v1v2v3v4v6v7v8e1e2e3e4e7e8e10e11e12solidf6f5f4f3f2f1e6e5e4e3e2e1e12e11e10e9e8e7v4v3v2v1v8v7v6v5Face levelEdge levelVertex levelTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Winged edge structureBoundary Representation (B-rep)Các phần tử hình học làđỉnh = vertices cạnh = edgesmặt = facesVòng lặp = loopsTrường 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 toán tử Euler Các toán tử Euler đảm bảo tính thống nhất của modelcho một cơ chế kiểm tra sự chắc chắn của modelTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Boundary Representation (B-rep)Các toán tử Euler:Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Thí dụ: xây dựng một khối tứ diện dùng toán tử EulerTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Thí dụ: xây dựng một khối tứ diện dùng toán tử Euler (tiếp theo)Trường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Công thức Euler-Poincaré: V-E+F-(L-F) - 2(S-G) = 0V - số lượng vertices (đỉnh)F - số lượng faces (mặt)E - số lượng edges (cạnh)L - số lượng loops (vòng biên kín ngoài 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 CSGCSG Các phần tử cơ cở là nguyên thuỷ Phép toán: dùng các toán tử boolean Cấu trúc dữ liệuCây nhị phânGọn nhẹTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC B-repCác phần tử cơ bản: đỉnh, mặt, cạnh (vertices, faces, edges)Toán tử: toán tử EulerCấu trúc dữ liệu:Cấu trúc cạnh kiểu cánh (Wing edge structure)Không gian bộ nhớ lớnÖu ñieåm caên baûn cuûa phöông phaùp B- rep laø khaû naêng deã daøng thay ñoåi hình daïng beà maët do đó được dùng nhiều trong các hệ thống CADCAMTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC B-rep và CSGKỹ thuật VoxelKỹ thuật Grammar (nhân mảnh)Kỹ thuật Particle (tạo hạt)CÁC KỸ THUẬT MÔ HÌNH HOÁ KHÁCTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Tạo bởi một tập khối lập phương nhỏKhông 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 mô hình hoá bằng cách liệt kê danh sách các tế bào mà nó chiếm giữ. KỸ THUẬT VOXELTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC Ưu nhược điểm của VoxelƯu điểm: Đơn giản Độ phức tạp như nhau cho tất cả các đối tượng Dùng các tóan tử BooleanNhược điểm: Chỉ gần đúng Đòi hỏi bộ nhớ lớn Màn hình đắt tiềnDùng chủ yếu trong các máy Scanner trong y họcTrường 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 inThí 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 chảyTrường ĐHBK TP.HCM – Khoa Cơ Khí – Môn học: CAD/CAM/CNC TÓM LƯỢCCó nhiều cách tạo mô hình2D3DKhung dâyMặtKhối ( C-rep, B-rep, Voxel, Grammar, Particles, Drop)Hiểu biết và sử dụng chúng trong công 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/CAMPhần 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 vẽ2/ 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