معرفی و آشنایی با هندسه سطوح کامپیوتری(Class-A) |کدافزار

معرفی و آشنایی با هندسه سطوح کامپیوتری(Class-A)

مهندس بهرام آزادی

• مقدمه:
• معرفی انواع سطوح
• تعریف سطوح کلاس A
• هدف استفاده از سطوح کلاس A
• تعریف سطوح و منحنی ها از لحاظ ساختار (NURBS & BEZIER)            
• پیش نیاز های اولیه برای مدلسازی سطوح ونرم افزارهای مدلسازی سطوح کلاس A
• آشنایی با هندسه سطوح کلاس A
• لینک های مرتبط با طراحی کلاس A

• مقدمه:

نرم افزارهای طراحی و مهندسی مانند CATIA & ICEM & AUTODESK ALIAS AUTOSTUDIO نرم افزارهایی جهت مدل سازی سطوح و فرم های پیچیده و با کیفیت و دقیق در کامپیوترمیباشند که به مهندسان طراح این امکان را میدهد تا اقدام به طراحی و مدل سازی انواع قطعات با کیفیت های مختلف نمایند. همچنین این نرم افزارها دارای ابزارهایی برای چک کردن کیفیت و دقت سطوح میباشند که دلیلی بر این ادعا میباشد. خروجی نرم افزارهای فوق میتواند مستقیما ورودی نرم افزارهای مهندسی دیگر جهت اعمال Detail های باقی مانده سطوح نهایی و همچنین آماده برای ساخت قالب شوند.

برای مثال شرکت AUTODESK با توجه به نیاز خودروسازان بزرگ دنیا به نرم افزاری که علاوه بر داشتن شرایط لازم جهت طراحی استایل، بتواند سطوحی با کیفیت بالا ایجاد نماید که ازلحاظ مهندسی و ساخت و تولید نیز قابل قبول باشد، اقدام به طراحی نرم افزار AUTODESK ALIAS AUTOSTUDIO  جهت ایجاد استایل های اولیه اما با کیفیت نمود. سهولت و تنوع ابزاری زیاد در این نرم افزار دلیلی محکم بر توانایی و قدرت آن جهت ایجاد سطوح کلاس A نیز میباشد.

• معرفی انواع سطوح:

Surface Quality Level Development

C- Class : Model validation and styling freeze.

B- Class : Surfaces with a lot engineering information.

A-Class : OK for tooling and quality.

surface guys to get the math model A surface. They will probably use that to re-mill another clay. This may happen several times as they tweak it and make changes. Class is industry wide, if a customer can see it (exterior and interior) it will be class A. CATIA / ICEM SURF and other packages can be used to produce class A surfaces. You need a package that allows you to really control your surfaces.

ctlstevens (Automotive)

Class A is something visible: Like the hood of your car.

Class B is visible but not essential: Like the door aperture.

Class C is not visible, like the seat mounting under the carpet.

HDS (Mechanical)

This article has a few numbers to define a class A surface.

"Our Understanding for Class A surfaces:

1. The fillets - Generally for Class A, the requirement is curvature continuous and Uniform flow of flow lines from fillet to parent surface value of 0.005 or better (Position 0.001mm and tangency to about 0.016 degrees)

2. The flow of the highlight lines - The lines should form a uniform family of lines. Gradually widening or narrowing but in general never pinching in and out.

3. The control points should form a very ordered structure - again varying in Angle from one Row to the next in a gradual manner (this will yield the good Highlights required).

4. For a Class A model the fillet boundary should be edited and moved to form a Gentle line - and then re-matched into the base surface.

5. Matched iso-params in U & V direction are also a good representation of class A.

6. The degree (order) of the Bezier fillets should generally be about 6 (also for arc Radius direction) sometimes you may have to go higher.

7. We also take care of Draft angle, symmetry, gaps and matching of surfaces Created with parent or reference surfaces.

Curvature cross-section needles across the part - we make sure the rate of Change of curvature (or the flow of the capping line across the top of the part) is Very gentle and well behaved. "

It was written by class a -surface was around before the computer therefore a definition of class-a surface has a little earlier history. basically any surface that warranted the attention of the styling studio was a studio product (inferring ownership) and thus would require the best surface production available at the time. The curvature continuity ability in certain softwares makes the technicalities of quality surface easier , but does not define class-a surface.

According to the imageware training,we can find that typical values that Class-A designers look for are: 0.001mm positional continuity and 0.05 degrees tangential continuity. Curvature continuity differs depending on the application. Each customer can vary, but these values should stand-up in almost any surface development situation. These figures produce surfaces edges that are indistinguishable to human sight or touch.

همانطور که در تصویر و توضیحات بالا نشان داده شده است سطوح از نظر فنی در سه سطح:

1. کلاس A
2. کلاس B
3. کلاس C (CAS)

قرار دارند که به طور معمول به کلاس C  سطوح مدل CAS که همان مخفف COMPUTER AIDED STYLING میباشد، گفته میشود.

 نوع عملکرد و استفاده هرقطعه ای روش ساخت و کیفیت آن را مشخص میکند برای مثال :

1. زیبایی
2. تکنولوژی ساخت
3. ایمنی
4. هزینه
5. دقت مونتاژ
6. و ...

در صنعت، تمامی وسایل و قطعات ساخت دست انسان بنا به نوع استفاده، کاربرد و اهمیت آن دارای کیفیت های متفاوتی میباشند. برای مثال قطعاتی که در صنایع خودروسازی یا هوا و فضا ساخته میشوند دارای کیفیت و دقت بسیار بالاتری نسبت به صنایع دیگر میباشند چرا که کوچکترین خطا و ناهماهنگی  بین آنها باعث بروز صدمات و خسارت های هنگفتی میگردد. چه از نظر هزینه و چه از نظر ایمنی.همچنین صنایعی که تولیدات آنها از نظر زیبایی و ظاهر آنها، دارای درجه بالایی هستند نیز در این گروه قرار میگیرند مانند خودروسازی و بعضی از تولیدات خانگی. بنابراین نوع کارکرد و استفاده، روش ساخت و کیفیت آنها را تعریف میکند.

پس قطعاتی که از نظر دقت، تکنولوژِی و ایمنی دارای اهمیت هستند سطوح و روش ساخت آنها میبایستی در نهایت کیفیت و دقت باشد و قطعات با مصارف عمومی یا با درجه پایین تر مثتثنی از این قاعده میشوند. در زیر دامنه تغییرات و کاربرد سه سطح فوق ارائه گردیده است:

 تعریف سطوح کلاس A : A- Class : OK for tooling and quality 

1. سطوحی می باشند که با استفاده از معادله ریاضی بیزیرمدل سازی شده اند
2. درجه معین هندسی منحنی ها درجه 4 و 6 می باشد
3. تا سر حد امکان بنابر طرح و استایل همراستایی خطوط U & V
4. ایجاد patch بجای face
5. عدم استفاده از سطوح چند ضلعی
6. یکنواختی پراکندگی نقاط کنترلی سطوح
7. عدم شکستگی در اتصال نقاط کنترلی(به شرط تک سطحی بودن)
8. استفاده از 2 یا 4 مرز برای ایجاد سطوح به صورت عمومی
9. وجود پیوستگی بین سطوح و منحنی های متصل به یکدیگر طبق استانداردهای داخلی
10.  وجود  HIGHLIGHT مناسب و با کیفیت از نظر استایل و عدم وجود هر گونه اعوجاج در این نوع سطوح 

سطوح کلاس B : Surfaces with a lot engineering information

در این نوع سطوح،قطعات و سطوح دارای اطلاعات مهندسی اضافه شده به سطوح کلاس C یا CAS میباشند که کار را برای مهندسان راحت تر میکند. مانند اضافه شدن:

• FLANG
• Fillet
• GAP
• STEP
• و ...

در واقع مراحل تبدیل سطوح B- Class به A-Class به قرار زیر میباشد:

Exterior/Interior B-A-Class Surface Development

Styling Consultant( MSI) Surface Standards sample

• Deviation Surfaces from Scan Data < = 0.2 mm
• Curves Position Deviation G0 < = 0.001 mm
• Surfaces Position Deviation G0 < = 0.001 mm
• Surface Angle Tangency G1 < = 0.1 Degree Exterior
• Surface Angle Tangency G1 < = 0.2 Degree Interior
• Continued Curvature G2 Angle Deviation = 0,05 Exterior & 0,1 Interior
• Utilization of Bezier´s Surface and Curves
• Polynominal Degree of Curves and Surfaces: Max 6
• Introduction of first flange and radius < 5.0 mm

سطوح کلاس C : C- Class : Model validation and styling freeze

سطوح کلاس C یا همان CAS MODEL سطوح اولیه ای میباشند که در آن طراح  استایل یا طرح اولیه سه بعدی رایانه ای را با مشخصات و پارامترهای بالااجرا  کرده، طرحی اولیه از قطعه ساخته شده و پس از طی شدن مراحل عیب یابی و اصلاح سطوح تبدیل به کلاس B شده و الی آخر. در این مرحله خروجی جهت ساخت مدل فیزیکی اولیه ارائه میگردد.

اهداف استفاده از سطوح کلاس A

1. مهم ترین عامل استفاده از این نوع سطوح زیبایی ظاهری از دید ناظر می باشد.

2.  حجم بسیار کم سطوح کلاس A در مقابل سطوح دیگر

3. قابلیت کنترل نقاط مورد نظر در سطوح با توجه به طرح

4. قابلیت کنترل خطوط تیز و طولانی  روی طرح ها از نظر فرم ، هندسه و میزان خطای نقاط کنترلی.

5. کنترل پیوستگی و مماس بودن سطوح درناحیه اتصال به یکدیگر که خود عامل بسیار مهم در زیبایی ظاهری سطوح می باشد.

تعریف سطوح و منحنی ها از لحاظ ساختار (NURBS & BEZIER)

سطوح و منحنی ها از لحاظ ساختار به دو دسته NURBS   و BEZIER  تقسیم میشوند.

• BEZIER : 

منحنی یا سطوحی هستند که فرم آن توسط نقاط کنترلی آن  ایجاد شده و فقط نقاط ابتدا و انتها روی منحنی قرار دارند و همه نقاط تاثیر بدون وزن ، روی شکل  منحنی یا سطح دارند.

• NURBS : None Uniform Rational BSpline

منحنی است که از کنترل پوینت های با تاثیر وزن به وجود می آید و معمولا چند تکه است . با توجه به اینکه میتوان از اختصاص وزن به هر یک از کنترل پوینتها استفاده کرد ، در نتیجه منحنی بسیار دقیق را میتوان با آن ایجاد کرد اما از نظر کیفیت سطح ، با توجه به اینکه معمولا چند تکه هستند و نقاط کنترلی زیادی دارند از کیفیت سطح پایینتری نسبت به منحنی بزیر دارند.

•  ISO Parametric Curve: هر سطح از منحنی های فرضی در جهت U , V تشکیل شده (که به آنها منحنی های ایزوپارامتریک میگویند) باید امتداد لبه های برش یا منحنی های ایزو پارامتریک سطوح در یک راستا باشند.

• Inflection Curve & Patches : تمامی کنترل پوینت ها باید در یک سمت منحنی یا سطح مورد نظر باشند.(مگر در موارد خاصی که استایل ایجاب نماید.)

• Control Points Distribution

• Poor Quality Line : منحني‌هاي با كيفيت پائين در سطح‌زني استفاده نگردد (Incorrect)

ماکزیمم تعداد کنترل پوینتها میتواند 7 باشد (یعنی درجه 6 ) - در جه منحنی‌هاي  U , V روی سطح نیز ماکزیمم 6 مي‌باشد

قابل توجه است از Patch‌ها و منحنی‌های ریز استفاده نگردد.

•  : Mechanical Fillet is Forbidden Fillet زدن بصورت اتوماتیک نمي‌بايست انجام گردد و باید سطوح Fillet با رعایت قوانین کلاس A ایجاد گردد.(شرايط Fillet مطابق جدول شماره – 4 مي‌باشد.)

• Only Tetragonal Patch With Valid Topology Is Acceptable : تنها Patch‌هاي چهار وجهی مورد قبول است و در مرز بین سطوح باید یکی از حالات زیر اتفاق بیافتد :

•   :Patches Should Changed to The Faceهمه Patch‌ها باید به FACE تبدیل شوند. FACE ها در واقع Freeze شده Patch‌ها هستند که فقط تریم شده‌اند. در تبدیل Patch‌ به Face پارامترهای زیر لحاظ مي‌گردد:

Deviation 0.02mm   /    Gap 0.02 mm      /  Segmentation   4

• : GapGap  به معنای اندازه اسمی فاصله بین دو قطعه میباشد.

•  : StepStep به معنای مقدار اسمی اختلاف سطح دو قطعه در مقطع خواسته شده می‌باشد.

• آشنایی با هندسه سطوح کلاسA

انواع منحنی ها در نرم افزارهای ایجاد سطوح کلاسA

• منحنی های BEZIER  :منحنی  بزیر منحنی ایست که شکل آن توسط رئوس چند ضلعی BEZIER کنترل میشود و تنها نقاط اول و آخر این چند ضلعی روی منحنی قرار دارند و در این نقطه مماس می باشندو با تغییر در نقاط کنترلی شکل منحنی درهمان محدوده تغییر می نماید.

• درجه یا Order منحنی: درجه منحنی بزیر برابر با تعداد کنترل پوینتهای آن است که میتواند از 2 تا 16 باشد.
• درجه معادله منحنی بزیر: درجه چند جمله ای یک منحنی بزیر برابر با Order-1 است.
• اصولا منحنی های بیزیر نمی توانند تبدیل به یک دایره یا بیضی شوند.
• به منحنی های بیزیری که توسط 4 کنترل پوینت ترسیم گردنند اصطلاحا cubic biz  گویند.
• تغییر در شکل منحنی ها توسط جابجایی نقاط کنترلی صورت می پذیرد.

• منحنی های NURBS(None Uniform Rational BSPLINE)  : منحنی ایست که از نقاط کنترلی موثر بر کل منحنی تشکیل شده است و معمولا چند تکه است و با توجه به اینکه می توان از اختصاص وزن به هر یک از کنترل پوینتها استفاده کرد ، در نتیجه منحنی های بسیار دقیق را می توان با آن ایجاد کرد ، در حالی که با بیزیر نمی توان منحنی به این دقت ایجاد کرد و Deviation آن بیشتر است.

 توجه : منظور از دقت، تبعیت منحنی از نقاط کنترلی می باشد و نه شکل ظاهری .

یک منحنی NURBS  سه تکه

مزایای استفاده از منحنی های بزیر در ساخت سطوح

• سهولت در کارکردن
• حجم بسیار کم اطلاعات به خاطر تک سیگمنتی بودن آنها
• ایجاد اشکال پیچیده با رعایت شرایط کلاس A
• هدایت نقاط کنترلی به منظور رسیدن به کیفیت مورد نظرتوسط کاربر
• تسلط کامل بر کیفیت رفتاری سطوح در مدل سازی پوسته ها

درمدل کلاس A سطوح به دو صورت PATCH  و FACE وجود دارد.

Patch ها موضوعاتی  هستند که روی یک منطقه چهارگوش توسط پارامتر U و V تعریف میشوند، در نتیجه Patch ها شامل اطلاعات  U , V هستند و حجم کمی دارند و تنها چهار لبه دارند.البته در مواردی از این قانون پیروی نمی کنند.

B- Spline & NURBS Patch

NURBS Patch از کنترل پوینت های بیشتری ایجاد شده است. در نتیجه ایجاد سطوح بسیار دقیق با Deviation  کم با این سطح امکان دارد.Mesh  حاصل از اتصال کنترل پوینت های این Patch ها،  De Boor Mesh نام دارد.

انواع (پیوستگی)Continuity

• G0 = ONLY IN POSITION

Bezier Patch

• G1 = POSITION+TANGENT

• G2 = POSITION+TANGENT+CURVATURE

• G3 = POSITION+TANGENT+CURVATURE+TORSION

پیش نیاز های اولیه و نرم افزارهای لازم ، مدلسازی سطوح کلاس A

1. آموزش های تخصصی در خصوص نحوه ایجاد سطوح
2. داشتن دقت و حوصله فراوان بدلیل Visual بودن
3. داشتن نرم افزارهایی که قابلیت ایجاد سطوح دراین کلاس را دارا باشد مانند نرم افزارهایی چون   ((UG-Icem Surf-Alias
4. آموزش یکی از نرم افزار های فوق الذکر

ابزارهای کنترلی سطوح

• کنترل سطوح درآزمایشگاه تابش نور

• کنترل سطوح در نرم افزارها

آموزش کتیا|نحوه نصب V5-6R22 (2012) CATIA یا بالاتر|کدافزار