МУ по выполнению ПЗ № 4 ОП
.pdfдробей, индексов, вставка рисунков (графических файлов КОМПАС), разработка таблиц и т.д. [40].
4.1.6.5 Виртуальная инженерия
Стремительно меняющийся и диверсифицированный рынок требует сокращения жизненного цикла для многих технических объектов. Быстрота разработки продукта является ключевым фактором для удовлетворения этих требований рынка.
Прогресс автоматизированной разработки также привнес новую струю в проектирование. Системы геометрического моделирования настолько продвинулись вперед за последние десятилетия, что современные САD–системы способны обрабатывать модели деталей и агрегатов самой сложной геометрии и конструкции. Агрегат можно не только отображать, но и оценивать и модифицировать как единое целое, а его движение можно имитировать так же, как это делается с физическим прототипом.
Эти тенденции в инженерной науке сходятся в новом понятии — виртуальная инженерия. В своей сущности виртуальная инженерия — это разработка технических объектов на основе имитации. Прогресс современной имитационной технологии сделал возможным решение таких задач, как численное моделирование большинства механических свойств системы и обнаружение столкновений между геометрическими объектами в реальном времени [39].
Виртуальная инженерия может охватывать весь цикл разработки и производства технического объекта. После того как смоделирована модель технического объекта, имитируется ее машинная обработка и сборка. Затем, также с помощью имитации, собранный прототип тестируется, и в его конструкцию вносятся необходимые изменения. Когда прототип одобрен, имитируется производственная система и ее функционирование. Прогнозируются также себестоимость и график поставок. В результате этих имитаций получается оптимизированный конечный прототип и производственные процедуры, на основе которых затем реализуется физическая система.
52
Использование имитации устраняет необходимость в дорогостоящих физических прототипах и физических экспериментах. Время разработки коренным образом сокращается, появляется возможность проверять большее количество альтернативных вариантов конструкции технического объекта, что повышает качество конечного продукта проектирования.
Виртуальная инженерия обеспечивает возможность заказчику заранее увидеть трехмерную модель продукта проектирования и запросить конструктивные изменения. Можно также построить прототип технического объекта, который недоступен, слишком опасен или слишком дорог для того, чтобы создавать его в реальности.
4.1.6.5.1 Компоненты виртуальной инженерии
К виртуальной инженерии существуют различные подходы.
Впроизводстве основным компонентом виртуальной инженерии является виртуальное производство, которое классифицируется в терминах жизненного цикла технического объекта как виртуальное проектирование,
цифровая имитация, виртуальное прототипирование и виртуальный завод [39].
Виртуальное проектирование выполняется с помощью устройств виртуальной реальности.
Цифровая имитация позволяет проверить и оценить работу продукта проектирования без использования физических прототипов.
Впроцессе виртуального прототипирования строится компьютерный прототип, имеющий ту же геометрию и физическое поведение, что и реальный продукт проектирования [39].
4.1.6.5.2 Виртуальное проектирование
Виртуальное проектирование выполняется в виртуальной среде с использованием технологий виртуальной реальности (рисунок 9) [39] и сосредотачивается на альтернативном пользовательском интерфейсе для процесса проектирования.
53
Рисунок 9 – Виртуальное проектирование с помощью аппаратуры виртуальной реальности (с разрешения DIVISION, Inc.)
Используя технологии виртуальной реальности, конструкторы могут погрузиться в виртуальную среду, создавать компоненты, модифицировать их, управлять различными устройствами и взаимодействовать с виртуальными объектами в процессе конструкторской деятельности. Конструкторы могут видеть стереоскопическое изображение виртуальных объектов и слышать пространственный реалистический звук. Эти изображения и звук возникают, когда рука конструктора движет виртуальной рукой и пальцем. Прикосновение к виртуальному объекту ощущается конструктором в виде обратной связи. Тем самым конструктор проверяет, как эффективно его замыслы воплощаются в проекте, и функциональное поведение конструкции объекта проектирования.
Основная цель виртуального проектирования — позволить конструктору действовать интуитивным и естественным образом.
Вторая цель виртуального проектирования — на ранних стадиях проектирования учесть точку зрения потенциального пользователя продукта проектирования.
Третья цель — учесть при проектировании опыт экспертов в сборке, монтаже или манипулировании деталями.
54
Проверка процесса — одна из наиболее важных целей цифровой имитации. Машинные операции необходимо тщательно проверить, прежде чем начинать реальную работу. Используя цифровую имитацию, заказчик перед началом работы может проверить траектории перемещения деталей, а также спровоцировать столкновения между деталями. На рисунке 10 [39] показана цифровая имитация сварки.
Рисунок 10 – Цифровая имитация сварки (с разрешения Deneb Robotics, Inc.)
Виртуальным прототипированием называют построение прототипа агрегата из геометрическим моделей его отдельных частей
(рисунок 11) [39].
Рисунок 11 – Виртуальный прототип двигателя и подвески
55
Системы цифрового прототипирования позволяют визуализировать процесс сборки и проверять осуществимость предлагаемых агрегатов в рамках имеющихся производственных ограничений. Путем сборки виртуального прототипа можно выявить конструктивные просчеты и внести изменения в проект, чтобы реальную сборку выполнить с первой попытки.
Основное назначение виртуального прототипирования заключается в проверке осуществимости операции сборки. Система проверяет сопряжение деталей в контексте сборочных ограничений и требований к допускам. Функции обнаружения столкновений указывают на мешающие друг другу детали. Проверяется также последовательность сборки и траектории движения деталей.
Виртуальный завод — это смоделированная на компьютере полная производственная система (рисунок 12) [39], которая имитирует конструкции производственных участков, производственные процессы и складские системы.
Кроме того, система моделирует производственные процедуры — маршруты, последовательности и слияния технологических процессов.
Эти возможности позволяют использовать виртуальный завод для планирования производства, включая оценку проектов производственных систем и сравнение альтернативных способов производства.
Рисунок 12 – Виртуальная имитация автомобильного завода
(с разрешения Deneb Robotics, Inc.)
56
4.1.6.5.3 Примеры промышленного применения виртуальной инженерии
Самолет Boeing 777 — это первый коммерческий самолет, успешно спроектированный безбумажным методом. Для разработки модели 777 корпорация Boeing организовала 238 межфункциональных «групп проектирование и изготовления», ответственных за конкретные продукты. Перед сборкой первого самолета не было изготовлено ни одного физического прототипа, кроме макета носовой части. Виртуальное прототипирование позволило компании вовлечь в процесс проектирования самолета заказчиков и операторов (до линейных механиков) и прошло настолько успешно, что несоосность при монтаже левого крыла составила всего 0,03 мм [39].
В России безбумажным методом спроектирован пассажирский самолет Супер Джет 100.
Виртуальный прототип локомотивного двигателя фирмы GM
мощностью 6300 л.с. путем так называемой «виртуальной разработки продукта». Все детали были представлены в виде трехмерных моделей, проведен анализ оптимизации конструкции этих моделей и выполнено программирование станков с ЧПУ для изготовления деталей. Модель двигателя представлена на рисунке 13
[39].
Рисунок 13 – Локомотивный двигатель GM16V265H (с разрешения General Motors)
Виртуальное моделирование позволило обеспечить поставку двигателя в сжатые сроки: первый двигатель был построен через 18 месяцев после начала
57
разработки, в то время как при традиционном проектировании этот процесс занимает более 36 месяцев. Виртуальное моделирование способствовало гораздо быстрее провести тесты надежности, что дало GM возможность удовлетворить более жесткие требования к надежности.
Дизайн интерьера салона автомобиля фирмы Chrysler Dodge Durango
модели 1998 г. был разработан методом виртуального проектирования. Член дизайнерской группы при разработке дизайна сидит в упрощенном макете автомобиля, состоящим только из сиденья, руля и педалей (рисунок 14) [39].
Рисунок 14 – Виртуальное проектирование интерьера салона автомобиля
(с разрешения Chrysler Corporation)
Дизайнер, на котором надеты головной дисплей системы виртуальной реальности, информационные перчатки и датчики движений, рассматривает виртуальный прототип интерьера автомобиля (приборная доска, органы управления зеркал заднего вида, радиоприемника, окон и т.п.) и взаимодействует с ним. Виртуальный прототип позволяет легко вносить изменения в дизайн и оценить обзор, доступность органов управления, эргономику и эстетику салона. Этот метод позволяет быстро проверить различные варианты дизайна салона автомобиля.
Поезд Metrocar 2000 в Стокгольме — это новая система общественного транспорта, разработанная компанией Adtranz Sweden с использованием виртуальных прототипов поездов, включая полностью оснащенные интерьеры с
58
текстурными сидениями, полами, индикаторной панелью машиниста. Глядя на виртуальный прототип (рисунок 15) [39], можно получить полное представление о масштабе, пространственных отношениях, эргономике и эстетике дизайна.
Рисунок 15 – Виртуальный прототип Metrocar 2000 (с разрешения DIVISION, Inc.)
Это позволяет заказчику и инженеру-конструктору совместно на ранних стадиях проектирования рассматривать технические и дизайнерские решения вагонов поезда и оперативно вносить в него изменения.
4.1.6.5.4 Программные продукты виртуальной инженерии
Компании производят программы для виртуального проектирования с модульной структурой, что позволяет потребителю приобретать именно те модули, которые требуются для его нужд. Имеются модули для виртуальной сборки, цифровой имитации оборудования производственного участка и имитации производства. В них встроены обширные библиотеки моделей используемых в настоящее время станков с ЧПУ, роботов, компонентов оборудования и производственных компонентов. Они позволяют быстро создать модель собственной системы заказчика.
Программа ADAMS от Mechanical Dynamics — это программный пакет для имитации и анализа автомобилей. Кроме того, ADAMS имеет модули для различных видов транспортных средств, куда входят ADAMS/Car (рисунок 16) [39] и ADAMS/Rail.
59
Рисунок 16 – Изображение, созданное модулем ADAMS/Car (с разрешения Mechanical Dynamics, Inc.)
Программное обеспечение Deneb Robotics, Inc. представляет собой программы виртуального проектирования и прототипирования, имитации производственных участков, цехов и заводов. Возможные виды имитации включают визуализацию, обнаружение столкновений, имитирование заводской линии станков с ЧПУ и оценку длительности производственного цикла
(рисунок 17) [39].
Рисунок 17 – Изображение, созданное модулем UltraSport (с разрешения Deneb Robotics, Inc.)
Программное обеспечение Division, Inc. предоставляет средства для построения виртуального прототипа с помощью программы dVISE. Возможности этой программы включают обнаружение столкновений и проверку свободного
60
пространства при создании и просмотре прототипов. Изображение, созданное программой dVISE компании Division, показано на рисунке 18 [39].
Рисунок 18 – Изображение, созданное программой dVISE (с разрешения Division, Inc.)
Программное обеспечение Engineering Animations —VisMockUp — программа виртуального прототипирования, делающая упор на трехмерную визуализацию (рисунок 19) [39]. Пользователи могут исследовать сборку и детали компонентов с помощью различных средств визуализации.
Рисунок 19 – Изображение, созданное программой dVISE (с разрешения Division, Inc.)
61