Учебники, ГОСТы и пр. / Планирование и оптимизация создания 3D модели

В статье рассмотрены базовые принципы

оптимальные операции и

Иван Черанёв

работы в T-FLEX CAD и способы оптимиза-

порядок их использования.

Ведущий инженер-

ции процесса 3D-моделирования, показа-

В начале работы следу-

конструктор отдела

на возможность планирования альтерна-

ет изучить систему T-FLEX

технологической под-

готовки производства

тивных вариантов построения на примере

CAD (рис. 1), ее принципы,

Выборгского судострои-

модели из машиностроительной области.

логику и правила, для чего

тельного завода.

можно воспользоваться

сложной системой из

CAD-системы как часть

лактических кораблей. Но

учебным пособием, которое

множества разных эле-

технологии трехмерного

зачастую пользователь не

доступно на сайте tflexcad.

ментов, параметров,

компьютерного моделиро-

может пройти полное обу-

ru.

атрибутов

и прочего.

вания в настоящее время

чение по работе с системой,

В дереве

построения

стали неотъемлемой частью

часто ограничиваясь освое-

Основные принципы

(окно 3D-модель, рис. 2)

нашей жизни. В арсенале

нием некоторого небольшо-

моделирования

отображаются все эле-

CAD-систем имеется мно-

го набора инструментов. На

Cформулируем и кратко по-

менты модели, при этом

жество различных инстру-

практике же этого набора

ясним основные принципы,

возможно провести раз-

ментов со всевозможными

может оказаться недоста-

на которых можно основать

деление на две основные

опциями, что предоставляет

точно для эффективной

методику планирования мо-

группы: 3D-построения и

пользователю широкие воз-

работы. Именно поэтому

делирования:

операции, формирующие

можности в проектирова-

необходимо научиться пла-

1. Модель — это многооб-

тела. 3D-построения —

нии самых разнообразных

нировать процесс модели-

разие элементов. 3D-мо­

это профили, 3D-узлы,

моделей: от гаек до межга-

рования, то есть выбирать

дель является довольно

линии и др. Они могут

задавать геометричес­

кую форму, размеры,

относительное простран­

ственное положение

других элементов. Вто-

рая группа операций

образует тела и поверх-

ности, формирующие

проектируемую деталь.

Они могут добавлять

или удалять «материал»

в модели, деформиро-

вать тело и т.д. Допол-

нительно можно выде-

лить еще одну группу,

содержащую сведения

а

б

в

о материалах, структуре

сборки, спецификациях,

Рис. 2. Элементы модели в дереве построения: а — 3D-построения; б — операции и тела;

базах данных, перемен-

в — раскрытие дерева построения тела

ных, элементах оформ-

окно позволяет понять, как

зазора между двумя дета-

сначала определиться,

ления и пр.

и в каком порядке модель

лями можно включать или

какие именно операции

2. Все элементы модели

строилась, если, например,

подавлять в сборке шай-

построения в ней не-

взаимосвязаны. В про-

над ней работал кто-то дру-

бу между ними. Знание и

обходимы. Затем — из

цессе моделирования

гой. Также можно узнать,

грамотное использование

каких частей модель

между элементами воз-

что вызовет попытка изме-

таких взаимосвязей по-

будет состоять, то есть

никают связи. На рис. 2в

нения/удаления одного из

зволяет добиться высокой

определить ее конструк-

показано раскрытое де-

элементов.

гибкости модели — спо-

цию, которую нужно по-

рево построения одного

Связать операции и по-

собности сохранять задан-

следовательно разобрать

из тел — история его

строения между собой мож-

ную геометрию без сбоев

сначала на детали и тела,

создания в виде цепоч-

но с помощью переменных.

при изменении исходных

а потом — на поверхно-

ки операций, геоме-

Они позволяют управлять

заданных

параметров в

сти и элементы (рис. 4).

трических элементов и

не только геометрией мо-

широких пределах (пара-

После этого необходимо

3D-построений.

дели (размерами и относи-

метрические библиотеки

выбрать, какими инстру-

Связи для каждого эле-

тельным положением в про-

типовых моделей).

ментами можно построить

мента в цепочке можно

странстве), но и составом

3. Модель

создается по

получившиеся элементы.

посмотреть через команду

модели, то есть исключать

частям

отдельными

Если это группа соосных

Информация в контекстном

из нее отдельные тела или

операциями­. Чтобы пра-

поверхностей вращения

меню, выделив операцию/

фрагменты. К примеру, в

вильно сформировать

(цилиндры, конусы, сферы

построение (рис. 3). Это

зависимости от величины

связи в модели, следует

и т.д.), то для их получе-

операции по определен-

деталями, то сопрягаемые

ным соображениям;

детали налагают ограни-

подбор операции для

чения на моделируемую

создания этой группы

деталь. Наличие в моде-

поверхностей (части

ли других деталей (или

тела);

тел) может упростить по-

определение необходи-

строение проектируемой

мой опорной геометрии

детали. Например, можно

или каркаса;

построить фланец с по-

определение техноло-

мощью выталкивания

гии — порядка постро-

плоской грани ответного

ения модели, включая

фланца (рис. 7а);

ориентацию в простран-

• необходимые размерные

стве, создание геомет­

и геометрические взаи-

Рис. 6. Примеры деформации тела

рических построений и

мосвязи между элемен-

переменными для часто-

ки, кооперация с другими

«формообразующих»

тами модели. В основ-

го использования в раз-

пользователями (совмест-

операций, а также пере-

ном они достигаются

ных сборках, то порядок

ное проектирование изде-

менных, баз данных и

правильным подбором

и способ ее построения

лия), неопределенность

прочего — при необхо-

нужных привязок и при-

должен продумываться

в отношении части кон-

димости.

менением оптимальных

особенно тщательно. Это

струкции на момент нача-

построений. Например,

связано с тем, что при из-

ла моделирования и т.д.

Теория планирования

если необходимо постро-

менении одних перемен-

В конечном счете за-

Порядок построения моде-

ить отверстие и массив

ных и операций может

планированный процесс

ли должен планироваться

(крепежных) отверстий

быть вызван сбой других

моделирования в общем

с учетом разных факторов:

вокруг него (рис. 7б), то

(рис. 7в — проработка

случае будет выглядеть

• конструкция проектируе-

логично построить снача-

узла соединения уголков

как цепочка чередующихся

мой детали;

ла центральное отверстие,

в металлоконструкции:

3D-построений и «формо­

• внешние ограничения,

а затем использовать его

подробная и упрощенная);

образующих» операций.

размещение детали в со-

для задания оси массива,

• личные предпочтения

Построение большей

ставе сборки (изделия,

иначе потребуются допол-

пользователя;

части моделей отдельных

узла). Если деталь проек-

нительные построения;

• другие соображения: ис-

деталей и сборок можно

тируется как часть какой-

• назначение модели и тре-

пользование готовых

свести к двум типовым

либо конструкции (в мо-

бования к ней по точности

фрагментов (в том числе

тактикам, которые могут

дели сборки), либо пред-

построения. Если модель

и библиотечных), необхо-

комбинироваться между

полагается ее использова-

строится как параметри-

димость редактирования

собой. Условно назовем их

ние совместно с другими

ческая с несколькими

модели в контексте сбор-

«вырезание» и «наращи-

а

б

в

вание». При использовании тактики

одной детали — фланца с гнездом для

первое отверстие массива. Если ра-

«вырезание» сначала создается тело-

приварки штуцера. Геометрически это

диальное отверстие предполагается

заготовка, формирующая наружные

тело вращения с несколькими прос­

разместить по горизонтальной оси,

очертания детали, а затем из нее выре-

тыми цилиндрическими отверстиями

то первое отверстие массива удобно

зается всё «лишнее» — создаются от-

в разных плоскостях, с гранями лыски

рисовать на оси под определенным

верстия, выемки и пр. Чаще всего эта

и выреза с задней стороны для об-

углом к горизонту. Рабочую плоскость

схема применима к деталям вращения

легчения. Для получения такой гео-

для профиля строим прямо на торце.

и плоским деталям. Схема «наращива-

метрии можно использовать операции

Построения должны обеспечивать

ние» используется для деталей с более

вращения и выталкивания. Изменять

сохранение определенных размеров

сложной геометрией — модель соз-

размеры фланца в модели будем с

лыски. Для этого установим постоян-

дается последовательным прибавле-

помощью переменных и базы данных.

ную ширину — допустим 40 мм. Для

нием «материала» к первой операции.

При использовании тактики «вы-

обеспечения этого требования сначала

Для сборок эта схема — основная. На

резание» создается «болванка» по

создаем окружность по наружному ди-

рис. 8 приведен пример построения

наружному контуру фланца, а все

аметру и линии со смещением 20 мм

модели рычага по обеим схемам.

остальные элементы потом выреза-

от горизонтальной оси, затем верти-

Из множества вариантов построения

ются из нее. Начинаем с операции

кальную линию, задающую положение

пользователю необходимо выбрать

вращения, в которую включаем мак-

поверхности лыски (рис. 9в). Такое

тот, в результате применения которого

симальное количество соосных по-

построение обеспечит «скольжение»

получалась бы оптимальная модель,

верхностей: наружный контур и цен-

крайних точек лыски по наружному

обладающая следующими парамет­

тральное глухое отверстие, а также

диаметру с сохранением ее ширины.

рами: соответствие размерам проек-

саму ось вращения. Фаску на наруж-

Создав 3D-профиль на плоской гра-

тируемой детали и заданным требо-

ном диаметре центрального выступа

ни лыски, с помощью выталкивания

ваниям, затрачивание минимальных

фланца можно выполнить в этой же

получаем радиальное отверстие. При

временных ресурсов.

операции вращения. На рис. 9а пока-

использовании этой операции необхо-

зан 3D-профиль (зеленым контуром)

димо обеспечить изменение глубины

Пример построения модели

и результат операции вращения.

тела отверстия в связи с переменным

Рассмотрим пример проработки по-

Для создания группы концентричес­

диаметром фланца. Для этого вытал-

рядка моделирования в T-FLEX CAD

ких отверстий можно использовать

кивание можно выполнять до рабочей

17 фланцевого переходника, при-

разные способы. Например, нарисо-

плоскости «вид слева», проходящей

веденного на рис. 4. Для крепления

вать в профиле все концентрические

по оси детали. Так же выталкиванием

стандартной накидной гайки на отводе

отверстия, вытолкнуть их и вычесть

создаем расточку. И конечно, после

переходника необходим стандартный

булевой операцией. Или можно вытол-

каждой из этих трех операций приме-

штуцер. Для этого в библиотеке мо-

кнуть одно отверстие и создать мас-

няем булево вычитание построенных

делей арматуры находим подходящий

сив с его последующим вычитанием

тел из тела фланца. Порядок этих по-

стандартный штуцер и крепим его

(рис. 9б). Если количество отверстий

строений показан на рис. 9г-е.

прямо к фланцу, а в месте приварки

будет переменным, то при создании

Остается сделать вырез для облег-

предусматриваем­ лыску. Таким обра-

профиля следует внимательнее вы-

чения (выталкиванием — рис. 9ж),

зом, задача сводится к моделированию

бирать место, где будет расположено

фаску по наружному диаметру фланца

а

б

в

г

д

е

ж

з

и

Рис. 9. Порядок построения модели фланца-переходника

(рис. 9з) и вставить фрагмент штуце-

точкам (рис. 10б и 10в соответствен-

тем выталкивания ребра на заданное

ра (рис. 9и). Эта последовательность

но) и т.д. Еще получить требуемую

расстояние, а вторая стенка (противо-

хорошо отражена в дереве построения

длину можно выталкиванием до гра-

положная первой) выталкивается до

тела (см. рис. 2).

ни, точки (рис. 10г и 10д) и других

верхней грани первой стенки, либо ее

Такой способ построения доволь-

элементов. Профиль выталкивания

можно построить с помощью симмет­

но простой — в нем применяется

также может быть задан разными

рии. Третья и четвертая стенки созда-

типовой повторяющийся алгоритм:

способами. Кроме нарисованного

ются выталкиванием вертикального

3D-профиль — выталкивание (враще-

3D-профиля можно применять ребро,

ребра по двум точкам на внутренних

ние) — булева операция.

а также плоский 3D-путь, отдельную

сторонах элементов — тут тоже мож-

линию 3D-профиля и т.д. На рис. 10е

но использовать симметрию. При та-

Инструменты моделирования

приведен пример выталкивания ребра

ком способе построения применяется

T-FLEX CAD

перпендикулярно грани (желтой) до

всего один начерченный профиль и

При внимательном изучении системы

выбранной грани (синей). При этом

обеспечивается равенство высот всех

можно найти много полезных опций

получается тонкостенная поверхность

стенок, а также соответствие их длин

и функций, которые способны упрос­

(без толщины). Чтобы создать тол-

размерам основания. Таким образом,

тить и ускорить работу.

щину, можно использовать опцию

существенно экономится время и со-

Основная «формообразующая»

придания толщины тонкостенному

храняется конфигурация модели при

команда — операции выталкивания.

элементу (рис. 10ж). В этом случае

изменении размеров.

При ее создании необходимо задать

мы сможем получить нужную стенку,

С помощью тонкостенного эле-

профиль, направление и длину, для

заполняющую весь проем, одной опе-

мента можно выталкивать контуры

чего можно руководствоваться раз-

рацией и без рисования 3D-профиля,

(рис. 11д). Так можно моделировать

ными способами. Длину можно задать

что существенно сэкономит время.

даже листовые детали, упрощая

числовым значением, при этом будет

Точно так же можно выталкивать гра-

3D-профили — вычерчивать контур

автоматически задаваться направле-

ни (рис. 10з).

только одной поверхности листовой

ние, перпендикулярное профилю вы-

На рис. 11а-г приведен пример по-

детали. Кроме того, вместе с тонко-

талкивания (рис. 10а). Помимо этого,

строения модели с применением оп-

стенным элементом можно автомати-

длина выталкивания может задаваться

ции «тонкостенный элемент». Сначала

чески создавать и дно (или крышку) —

с использованием уже созданной в

выталкивается дно (по 3D-профилю),

рис. 11е. Таким образом, посредством

модели геометрии: по ребру, по двум

затем создается одна из его стенок пу-

одной операции можно создать деталь

а

б

в

г

д

е

ж

з

Рис. 10. Различные способы создания выталкивания

типа «стакан», «корпус», «крышка»

ного элемента можно считать созда-

На рис. 12а и 12б показано создание

и т.п. В случаях, когда «крышка»

ние шайб, бобышек и колец путем вы-

отверстия под штифт в винте с по-

должна быть отдельной, для эконо-

талкивания кругового ребра отверстия

мощью «вычитания» самого штифта.

мии времени можно дважды исполь-

в стенке (рис. 11з).

Иногда требуется применение этой

зовать один и тот же 3D-профиль:

Вместе с «формообразующими»

опции с некоторыми ограничениями.

сначала для выталкивания трубы (с

командами одновременно исполь-

Для примера на рис. 12в сопрягае-

тонкостенным элементом), затем для

зуются и булевы операции. У опера-

мая деталь имеет отверстие и фаски,

выталкивания крышки (без тонкостен-

ции вычитания есть очень полезная

после булевой операции в зеленой

ного элемента — рис. 11ж). При этом

опция — «оставлять в сцене» для

детали мы также получим на месте

экономится время и обеспечивается

второго операнда. Она позволяет

отверстия фаски и выступ (рис. 12г).

точное соответствие контура крышки

для получения вырезов в телах при-

Во избежание этого их необходимо

профилю трубы. Еще одним примером

менять другие детали, которые при

создавать в сопрягаемых деталях по-

эффективного применения тонкостен-

этом должны оставаться в модели.

сле булевой операции (рис. 12д и 12е).

а

б

в

г

д

е

ж

з

Опцию «оставлять в сцене» удобно

также использовать при создании в

разных телах (фрагментах) соосных

отверстий, например под крепеж. Для

этого операция выталкивания (или

а

б

в

г

вставки фрагмента) выреза созда-

ется с пересечением всех тел, в ко-

торых будут отверстия (рис. 12ж),

затем для первого из тел создается

операция булева вычитания с при-

д

е

ж

з

е

менением этой опции. Так, в первом

теле образуется отверстие, а «выре-

Рис. 12. Примеры использования булевой операции вычитания

заемое» тело сохраняется (рис. 12з).

Аналогично создается отверстие для

второго тела (рис. 13и), при этом оп-

ция либо используется, либо нет, в

зависимости от того, нужно ли со-

хранить тело выреза.

а

б

в

В ряде случаев операцию булева вы-

читания (либо выталкивания до грани)

эффективно заменяет операция от-

сечения. Она позволяет обрезать тело

(фрагмент) по заданной геометрии,

например по плоскости (рис. 13а).

Кроме того, возможна обрезка по

г

д

е

грани (рис. 13б) или набору граней,

Рис. 13. Примеры использования операции отсечения

причем выбранная геометрия долж-

на полностью пересекать отсекаемое

типов резьб и поддерживает создание

тов — от примитивных моделей типа

тело. Можно также применять отсече-

массива отверстий по ранее создан-

прямоугольных стенок до сложных,

ние для обрезки одной детали по кон-

ному массиву 3D-узлов. На рис. 14

например заготовок под корпус ре-

туру второй или получения отверстия

приведены примеры отверстий, соз-

дуктора.

по отверстию в смежной детали. Для

даваемых данной командой.

Ускорению работы существенно

этого сначала создается выталкивание

Кроме команды создания отверстия

способствуют и команды копирования

тонкостенной поверхности по контуру

предусмотрена целая библиотека ти-

геометрии — создание симметрий,

детали или ребру отверстия, а затем

повых конструктивных элементов

массивов и копий. Они тоже имеют

по этой поверхности отсекается вторая

(проточек, канавок, шлицев и т.д.),

свои особенности, например их можно

деталь (рис. 13в и 13г). С помощью

позволяющая облегчить создание мо-

применить не только к телам, но и к

опции рассечения на два тела удобно

дели. Библиотека доступна через окно

3D-построениям.

моделировать детали, сопрягаемые по

Меню документов, конструктивные

определенному профилю, используя

элементы вставляются в модель как

Использование альтернативных

при этом тело-заготовку (рис. 13д и

фрагменты с привязкой по имеющей-

способов построения

13е). Для этого также необходимо по-

ся геометрии.

Изучив некоторые способы опти-

строить тонкостенную поверхность по

На рис. 15 показан пример модели,

мизации моделирования, рассмот­

контуру сопряжения — в результате

созданной только с помощью этой би-

рассечения будет образовано два тела.

блиотеки. Размеры стандартных кон-

Существуют и инструменты созда-

структивных элементов соответствуют

ния конкретных конструктивных эле-

ГОСТ, что также снимает необходи-

ментов. В первую очередь это команда

мость в поиске данных. Стоит учесть,

Отверстие, позволяющая создавать

что пользователь имеет возможность

самые разнообразные отверстия. Ко-

создать для себя собственную анало-

манда использует базу данных разных

гичную библиотеку типовых элемен-

Рис.14. Пример отверстий

рим порядок построения модели

тральное отверстие. Затем во фланце

Для создания лыски будем исполь-

фланца-переходника, разработав

создается группа концентрических от-

зовать отсечение по плоскости. При

для нее альтернативный способ по-

верстий (рис. 16б).

этом, чтобы ширина лыски всегда

строения. Оптимизация будет на-

Определив взаимосвязи между эле-

была равна 40 мм, отсекающую пло-

правлена на сокращение количества

ментами модели, получаем следую-

скость необходимо строить по точке,

3D-профилей, их упрощение и более

щий порядок построения: лыска —

лежащей на круговом ребре фланца

широкое использование вспомога-

выступ на задней стороне фланца —

на расстоянии 20 мм от горизонталь-

тельной геометрии (плоскостей и

центральное отверстие — радиальное

ной плоскости симметрии фланца

3D-узлов).

отверстие. Здесь, в отличие от первого

(рис. 16в и 16г).

Моделирование начинается с опера-

варианта, на лыску завязывается по-

Выступ на задней стороне необходи-

ции вращения, но при этом создается

строение части модели и, в случае ее

мо строить выталкиванием. Это можно

только сам фланец, без выступа на

исключения из конструкции детали,

сделать и без черчения 3D-профиля,

задней стороне (рис. 16а). Также из

порядок построения придется пере-

используя выталкивание ребра лыски.

данной операции исключается цен-

сматривать.

Так как по исходному условию диа-

а

б

в

г

д

е

ж

з

и

Выступ на торце флан-

ца построим отдельно с

булевой операцией сло-

жения. Сразу же можно

сделать фаску на этом вы-

ступе (рис. 18б). Наличие

уплотнительного выступа

снижает оптимальность

такого порядка построения

модели — он гораздо луч-

ше подошел бы к фланцу с

плоским торцом.

Построение выступа на

задней стороне и централь-

Рис. 17. Сравнение способов построения модели по дереву построения

ного отверстия оставим,

метр фланца может менять-

цами. Отверстие создается

Порядок построения этой

как во втором варианте

ся, нам необходима привяз-

сразу с расточкой, а глуби-

модели можно изменить бо-

(рис. 16 д-ж), а боковое

ка, которая будет обеспе-

на задается способом «до

лее радикально, по-иному

отверстие сделаем, как в

чивать изменение длины

следующей грани» с вклю-

сгруппировав элементы

первом — выталкиванием,

выталкивания и требуемый

ченной опцией «учесть не-

детали. Строится плоский

но не ступенчатым и без рас-

отступ торца выступа от

плоские грани» (рис. 16з).

диск с небольшим высту-

точки (рис. 18в). Используем

плоскости симметрии. Для

В завершение остается

пом, концентрические от-

модель штуцера — вставля-

этого создается плоскость,

выполнить фаску­ на на-

верстия фланца и лыску

ем его как фрагмент с нуж-

параллельная вертикаль-

ружном диаметре фланца и

можно получить одной

ным заглублением и вы-

ной осевой

плоскости с

вставить фрагмент штуцера

операцией выталкивания

читаем булевой операцией,

необходимым смещением.

(рис. 16и).

вместе с наружной поверх-

оставляя в сцене (рис. 18г).

Выталкивание ребра про-

Сравнение способов по-

ностью фланца, поэтому

Такой способ обеспечивает

изводится до плоскости,

строения (по дереву по-

в варианте «альтернатив-

соответствие расточки раз-

показанной на рис. 16д, а

строения модели) при-

ный-2» первой операцией

меру штуцера.

после булева сложения —

ведено на рис. 17. Стало

будет именно выталкивание

В целом третий вариант

на рис. 16е.

меньше 3D-профилей и,

(без учета выступа на зад-

отличается предельно «на-

Центральное и боковое

соответственно, проекций.

ней стороне, не со стороны

груженной» первой опе-

отверстия создаются коман-

Число рабочих плоскостей

уплотнения — рис. 18а).

рацией и зависимостью от

дой Отверстие (рис. 16ж).

не изменилось, но в первом

Здесь стоит обратить вни-

модели штуцера (в первых

Аналогично создается боко-

варианте они автоматически

мание на отверстия, так

двух вариантах геометрия

вое отверстие. 3D-узел для

создавались на гранях (при

как их количество может

переходника от него не за-

него строится на пересече-

черчении 3D-профилей), а

поменяться при изменении

висела).

нии плоской грани лыски,

во втором варианте плоско-

диаметра фланца. В таком

Способы оптимизации мо-

горизонтальной плоскости

сти использовались для не-

случае отверстия лучше вы-

дели могут быть разные. Это

симметрии

и плоскости,

обходимых геометрических

полнять отдельно (масси-

не только тщательное проду-

средней между двумя тор-

построений.

вом) от наружного контура.

мывание конструкции детали

перед началом моделирова-

ния во избежание лишних

исправлений, но и более

широкое использование воз-

можностей системы. 

С полной версией посо-

а

б

в

г

бия можно ознакомиться

на сайте tflex.ru в разделе

Рис. 18. «Альтернативный-2» порядок построения модели фланца-переходника (фрагменты)

«Методические­ материалы».