Понятие о применении имитационного моделирования для станков с чпу. Методы имитационного моделирования.

Основной задачей моделирования сложной поверхности является получение трехмерной геометрической (математической) модели наиболее полно описывающей параметры поверхности.

Методы моделирования

Существует два метода описания трехмерных поверхностей: с помощью набора полигонов (многоугольников) или применяя NURBS.

NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline - переводится как неоднородный рациональный B-Сплайн) - используется для описания поверхностей. По своей сути сплайн является математической функцией и поэтому, для представления ее на экране в виде кривой необходимо произвести достаточно большое количество вычислений. Вся задача при работе с NURBS ложится на центральный процессор, так как на сегодняшний день нет аппаратных решений для акселерации работы со сплайнами, хотя в спецификацию API OpenGL они входят.

Основным преимуществом NURBS является возможность неограниченного масштабирования моделей без потери качества. Так как можем определить координаты любой точки поверхности. Также возможно производить различные математические операции со сплайнами, что позволяет рассчитывать, например, параметры обработки заданной поверхности.

Если рассматривать это с двухмерной точки зрения, то полигональное моделирование сопоставимо с растровой графикой, а NURBS моделирование сопоставимо с векторной графикой. Также одним из серьезных преимуществ NURBS по сравнению с полигонами, объем получаемых файлов при сохранении модели. Это происходит потому, что для достижения высокого качества при использовании полигонов, нам необходимо создать модель состоящую из большого количества полигонов. И весь этот массив данных мы должны будем сохранить в нашем файле. А при сохранении NURBS модели, у нас сохраняются только контрольные точки.

Хотя нагрузка на центральный процессор и возрастает, в тоже время NURBS дают нам огромное преимущество и в скорости работы, но об этом чуть ниже. При использовании NURBS поверхностей, нам все равно приходится производить тесселяцию (разбиение на полигоны) для того, чтобы мы могли использовать преимущества 3D-ускорителей при работе с NURBS поверхностями, так же на данный момент большинство из модулей визуализации не воспринимают NURBS как входные данные.

Сегодня по-прежнему уделяется много внимания технологии 3D-моделирования. Ранее были разработаны основные методы для твердотельного и граничного (B-rep) пространственного представления геометрических объектов. Достижением современного периода можно считать методы построения поверхностей произвольной формы на основе B-сплайнов - NURBS, ставшие стандартом де-факто для проектирования сложных поверхностей.

Параметризация

Компания PTC, вышедшая на рынок в 1989 году с Pro/Engineer, с самого начала сделала ставку на полную параметризацию всех моделей. С тех пор средства параметрического моделирования были реализованы во всех системах среднего и старшего уровня. Процесс параметрического моделирования можно описать следующим образом: в ходе построения система накапливает конструкционные параметры и соотношения между ними, а также формирует протокол (историю) создания геометрии, позволяя простым изменением параметров легко модифицировать и регенерировать модель. Важно, что параметрическая модель создается интерактивно, без какого-либо программирования (за исключением задания формул), и это вполне по силам пользователю. На данный метод опирается табличная параметризация, реализованная в CADDS, где параметры типовых деталей сведены в таблицу, а генерация нового экземпляра производится путем выбора из таблицы типоразмеров.

Хотя способ создания параметрической модели прост, задача расчета геометрии для новых значений параметров - сложная, главным образом из-за того, что могут быть определены произвольные зависимости переменных. Для расчета применяются два типа решателей - вариационные и аналитические, однако ни в одной системе нет гарантии, что нужная геометрия будет найдена, хотя отказы происходят в достаточно сложных случаях.

Следует отметить, что параметризация, основанная на истории, имеет много недостатков и не является единственным возможным способом. Более объективную и не зависящую от последовательности действий пользователя параметризацию создают геометрические (параллельность, ортогональность, касание) условия между элементами конструкции, а также размеры. Исследования в этом направлении также велись, но до коммерческих продуктов дело пока не дошло.

Параметризация полезна не только для моделирования, она также автоматизирует итерационную отладку конструкций. Работая в среде параметрического конструирования, пользователь указывает изменяемые параметры, задает связывающие условия, определяет целевую функцию и запускает процесс оптимизации. Можно оптимизировать такие параметры, как масса, объем, площадь поверхности, моменты инерции, центр тяжести. Особенно эффектна следующая задача: на входе задается примерная геометрия, а в качестве целевой функции - условия размещения в заданном габарите.

Новый продукт EDS Unigraphics - позволяет управлять анализом в интегрированной среде параллельного проектирования производства. В обычных сложных параметризованных сборках содержатся сотни и тысячи деталей, которые перегружают возможности системы. В предложенном подходе можно выделить 20-30 наиболее важных переменных проекта и проводить оптимизацию только по ним.

Появление в практике такого важного способа моделирования, как фичерсы (feature), можно связать с компанией PTC. Фичерсы - отверстия, фаски, скругления, ребра жесткости и пр., в отличие от элементарных объектов твердотельного моделирования, являются привычными для пользователей, и работа с такими макрообъектами, очевидно, более выгодна. Фичерсы - это применение объектной ориентированности в CAD. Для того чтобы добавить отверстие к уже существующей геометрии, достаточно выбрать элемент меню "отверстие" и указать его расположение. После этого оно остается привязанным к грани при любом ее перемещении - фичерсы помнят о своем окружении.

Фичерсы тесно связаны с параметризацией. Кроме того, что они сами по себе параметризованные объекты, они могут быть созданы, как параметры. Хотя в Pro/Engineer они реализуются как программные объекты, в UG/Solid Modelling фичерсы могут определяться пользователем интерактивно, в результате запоминания набора компонентов, определения параметров, установки взаимозависимостей, задания значений по умолчанию, иными словами, как параметрическая модель.