5.1.2. Использование 3d-моделей в объектно-ориентированных системах cad/cam

Осуществление растущих требований к качеству и гибкости производства возможно путем компьютеризации всех этапов изготовления изделий: от конструкторской и технологической подготовки производства до изготовления и испытания. Поскольку между всеми этапами существуют информационные связи, определяемые изделием, целесообразно их объединение в рамках единой системы автоматизированного проектирования и производства. В настоящий момент наибольшее распространение получили системы автоматизированного проектирования САПР (CAD).

САПР как система включает в себя технические средства, системное программное обеспечение, прикладное программное обеспечение и самого проектировщика.

Уровень технических средств определяет производительность САПР, системное и в большей степени прикладное: программное обеспечение обуславливают эффективность САПР. Гибкость САПР с точки зрения расширения возможностей её использования может быть увеличена, если программное обеспечение её является универсальным и открытым (например, в MathCAD, AutoCAD и большинстве других универсальных систем программирования заложен принцип открытой архитектуры, позволяющий адаптировать их применительно к конкретным задачам).

Предназначенные для решения конкретных задач САПР называют локальными, или объектно-ориентированными. Анализ применения САПР показывает, что преобладают задачи изготовления конструкторской документации, инженерных расчетов или технологической подготовки производства. Объектно-ориентированные системы используют в производстве на начальной стадии внедрения САПР. Примером локальной системы AutoCAD может служить система АКД, полученная адаптацией AutoCAD на решение частной задачи изготовления чертежей конкретного изделия.

Системы САПР более высокого уровня — интегрированные системы проектирования и изготовления (CAD\CAM) — включают конструирование, геометрическое моделирование, разработку технологии изготовления в качестве подсистем. Конструирование — разработка конструкции в виде конструкторской документации, основанная на анализе геометрической, технологической и организационной информации (на проектных расчетах). Геометрическое моделирование предполагает создание абстрактного образа геометрического объекта в виде геометрической модели. Разработка технологии изготовления проектируемых изделий обеспечивает реализацию геометрической информации. Основой объединения подсистем интегрированной САПР являет общее управление системой и использование общей базы данных. Кроме того, каждая из подсистем должна иметь собственную базу данных.

Организация и обработка данных в САПР — это процесс последовательных преобразований геометрической модели объекта проектирования. На первом этапе реальный объект (деталь) подвергается абстракции в виде вербального описания (символьного, речевого, эскизного) с последующей формализацией, в результате которой определяется информационная модель, которая служит функциональным представлением данных. На втором этапе строится модель данных, которая отражает логическую структуру данных. Для этого в информационной модели выделяют уровни структуризации данных и их взаимосвязи, при этом выделяют конструктивные элементы для получения деталей произвольной формы и геометрических элементов — точек, контуров, поверхностей, объемов. Такое разбиение отвечает требованию универсализации данных для целого класса деталей на разных стадиях проектирования. На третьем этапе формируется модель доступа — внутримашинное (программное) представление, на четвертом этапе — модель хранения. Модель хранения отражает способ организации данных на физических носителях: последовательный, списковый или прямой.

Указанная последовательность формирования моделей характерна для постоянных геометрических объектов, т.е. изделий с постоянными размерами и формой. Некоторые геометрические объекты могут быть параметрически заданными, с помощью задания значений параметров можно изменить их размеры или геометрическую форму. Для сокращения затрат внутримашинного представления в САПР применяют вариантный и генерирующий методы моделирования параметрически заданных геометрических объектов.

Вариантный метод состоит в выборе типовой модели (комплексной) для определенного класса изделий, из которой конкретизацией или обнулением параметров можно получить все другие детали класса. Разновидностью вариантного метода является принципиальный — с сохранением принципа конструкции и с изменением только размеров. При принципиальном проектировании данные технологической документации закреплены за комплексной деталью и не подготавливаются каждый раз заново. Область применения метода — проектирование комплексных функциональных узлов (подшипников), готовых изделий (трансформаторов). Часто применяют принцип вложенности моделей (один раз описанные типовые модели используются для описания других типовых моделей).

При генерирующем методе определяется наилучшее сочетание конструктивных и технологических элементов. С помощью основных конструктивных элементов создаётся геометрическая форма детали, включая проточки (общее описание), с помощью вспомогательных, непосредственно связанных с основными, осуществляется более подробная передача геометрической формы. Технологические элементы относятся и к основным, и к вспомогательным. Работающие по генерирующему принципу САПР обладают высокой гибкостью и эффективностью.

При использовании CAD/CAM систем наиболее эффективным является интерактивный режим, когда между человеком и ЭВМ устанавливается диалог, при котором человек непосредственно управляет работой ЭВМ. В настоящее время наиболее распространены интерактивные графические методы, так как информация, представленная в виде графического изображения, наглядна и значительно упрощает диалоговую связь. Основой для получения графического изображения объекта служит его информационное представление в виде геометрической модели. Нельзя путать термины «компьютерная графика» (то, что выводится на экран) и «геометрическое моделирование» (то, что «знает» машина). На экране дисплея - двумерное (2D) изображение (визуализация) реально существующего трёхмерного (3D) геометрического объекта, внутримашинным представлением которого служит геометрическая модель.

Поэтому именно от модели зависит качество ее графического использования, и в конечном итоге, качество CAD/CAM. С другой стороны, не следует отождествлять создание геометрической модели с использованием графики. Модель может формироваться, например, как результат вычислений без обязательного вывода на экран монитора.

Геометрическое моделирование является внутримашинным представлением объекта, то есть всех его геометрических (и не только геометрических) свойств. При традиционном проектировании (без САПР) обмен информацией выполняется с помощью чертежей, нормативно-справочной, научной и технической документации. В этом случае конструктор имеет дело с двумерным представлением объекта. В САПР обмен информацией осуществляется с помощью геометрических моделей без вывода их, или при необходимости с выводом как в виде чертежей, гак и в виде более наглядных графических изображений.

В системах CAD/CAM при геометрическом моделировании используются методы начертательной, аналитической, проективной и дифференциальной геометрии. Законы начертательной геометрии используют при получении плоских проекций геометрического объекта, из аналитической геометрии берутся вычислительные методы для анализа свойств точек объекта, свойства которых в свою очередь описываются дифференциальными уравнениями. В проективной геометрии изучаются сохраняющиеся при проектировании геометрические свойства трёхмерных объектов.

В общем понимании под геометрической моделью объекта в САПР подразумевают полную информацию о нём: геометрическую, технологическую, функциональную и вспомогательную, а под геометрическим моделированием - весь многоступенчатый процесс преобразования информации в компьютере, т.е. ввод, а затем хранение, переработку, выдачу информации.

Этот процесс последовательных отображений геометрических моделей объекта для получения внутримашинного представления, осуществляемый в рамках САПР, называют системой геометрического моделирования.

В узком смысле геометрическая модель - описание геометрических свойств объекта, представляющее собой внутримашинную модель.

Геометрические модели занимают важное и ответственное место в САПР, особенно в машиностроении. Ведь информация о геометрических характеристиках объекта используется не только для получения внутримашинного представления, но и для анализа различных свойств объекта, его оптимизации, разработки технологии его изготовления. Это объясняется тем, что геометрические модели применяются для многих ключевых задач автоматизированного проектирования и изготовления машин и деталей. Именно геометрическая информация является необходимым элементом процессов проектирования, конструирования и производства. Геометрические модели используются: для получения графического изображения на экране дисплея, для вычерчивания и выдачи рабочих чертежей, для расчёта деталей на прочность и жёсткость, для построения полей напряжений, температур и состояний методом конечных элементов, для обеспечения заданной формы и размеров при изготовлении, для автоматизированной подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ (CNC) и так далее.

История развития геометрического моделирования начинается с конца 50-х годов с первых работ по машинной графике. В 1955 г. в Массачусетсе под руководством Росса была разработана система программирования APT для подготовки программ для станков с ЧПУ, послужившая прототипом САПР. В то время под САПР понимали не полностью, а частично автоматизированное проектирование. Важное значение имел факт разработки языка программирования высокого уровня

Разработаны и применяются в машиностроении различные системы и пакеты программ для ЗD-моделирования, отличающиеся своими возможностями, степенью обобщения, используемыми математическими методами, качеством интерфейса, уровнем сервиса и удобств для пользователя.

К ним относятся Mechanical Desktop, Solid Edge, Solid Works, IronCAD, ThikDesign, Vellum Solids, Inventor, Helix, MicroStation, Modeler, Cadkey, Pro/DESKTOP и другие.

На первые позиции сейчас вышли системы Solid Works'2000 (разработчик фирма Dassault) и Solid Edge8 (фирма Unigraphics), основанные на ядре Parasol id. Программа MDT (фирмы Auto Desk), созданная на основе системы AutoCAD, опережает по продажам обе указанные системы, но, по мнению специалистов, её успех объясняется популярностью системы AutoCAD.

Разные системы и пакеты для 3D-моделирования разрабатываются на базе того или иного ядра 3D-моделирования, которое определяет его стратегию. Например, известны ядра твердотельного моделирования ACIS и Parasolid.

Самым мощным, быстродействующим и надежным сейчас считается ядро Parasolid фирмы Unigraphics Solutions, разработанное в Кембридже (Великобритания).

С 1989 года Parasolid является геометрическим процессором известной системы Unigraphics . Сегодня более 200 программных продуктов по всему миру используют . Parasolid, а количество пользователей, работающих с программами на основе Parasolid, приближается к 500 тыс. Сегодня Parasolid является ключевым компонентом многих эффективных систем и пакетов программ. Среди них Unigraphics, Solid Edge, SolidWorks, IronCAD, MicroStation, Modeler, TopSolid , Pro/DESKTOP, VISI-CAD/CAM, SURFCAM, CAMWorks, Gibbs CAM, Mastercam, Esprit, FeatureCAm, FEMAP, ADAMS, ADINA-M, ANSYS-DesignSpace, MSC.Patran, T-FLEX CAD 7.0.

Parasolid моделирует самые разные объекты — от простейших до сложных корпусов современных автомобилей и сверхмощных лопастей вертолетов. Обеспечивается сглаживание, построение оболочек, сшивка поверхностей. Ядро поддерживает эффективную работу с десятками тысяч деталей, входящих в сборку, и обеспечивает самую высокую точность хранения геометрии—10. Посредством обменных файлов системы на базе Parasolid могут быстро и без потерь передавать геометрические данные друг другу. Parasolid доминирует на рынке не только систем CAD для персональных компьютеров, но и САМ-систем. Четыре из пяти ведущих разработчиков систем САМ используют Parasolid, с охватом около 80 % всего рынка.

Parasolid стал первым ядром, воплотившем использование исследовательских процессов С многократным повышением скорости работы. Возможности Parasolid сочетаются с высокой надежностью выполнения каждой функции.

Система твердотельного параметрического моделирования SolidWorks разработана компанией SolidWorks Corporation (США). Система создана специально для использования на персональных компьютерах под управлением операционных сред Windows 95/98, Windows NT и базируется на параметрическом геометрическом ядре Parasolid. С 2010 г. поставляется 10 версия системы- SolidWorks 2010.

Открытая архитектура системы позволяет ей легко интегрироваться с ведущими графическими, расчетными и технологическими системами, каждая, из которых занимает лидирующие позиции в своей .области.

Интерфейс системы отличается максимальной продуманностью, удобством работы и доступностью для понимания. SolidWorks максимально использует все преимущества операционных систем Windows 95/98/NT/2000/XP. Полностью поддерживает такие общепринятые в Windows приемы работы как многооконность и возможность одновременной обработки нескольких деталей или сборок, настройку пользователем экрана системы, меню и панелей инструментов, использование графического буфера обмена, технологии для обмена объектами с внешними приложениями, гибкую систему помощи, средства сетевой поддержки (режим клиент/сервер). Гибкость пользовательского интерфейса позволяет создать индивидуальную среду проектирования пользователя в соответствии с его задачами и методами проектирования. Пользователь, знакомый с идеологией твердотельного проектирования, работая в SoIidWorks, оказывается среди понятных и знакомых концепций и категорий, что снижает сроки и обеспечивает мягкость внедрения.

SolidWorks предоставляет возможность создания библиотек стандартных твердотельных моделей.

Средства SolidWorks для работы со сборками позволяют объединять в одной сборке сотни разнотипных деталей и подсборок и строить необходимые сборочные единицы, не выходя в режим создания деталей.

После создания твердотельной модели существует возможность автоматического получения рабочих чертежей детали или сборки с изображениями видов, проекций, простановки основных размеров и обозначений. SolidWorks отслеживает двунаправленную ассоциативную связь между моделью и чертежом.

Модель, созданная в SolidWorks, может быть использована для прочностных расчётов, анализа кинематики, проектирования управляющих программ в интегрированных системах DesignSpace, COSMOS, SurfCAM, CAMWorks и др. (всего более 300 программ). Обмен информацией можно производить с использованием стандартных форматов IGES, DXF, DWG, SAT, STL и Parasolid. Система полностью русифицирована разработчиком

Система Solid Edge компании Unigraphics Solutions является одной из самых производительных систем среднего уровня на геометрическом ядре Parasolid. В последних версиях 6, 7 и 8 (1998, 1999 и 2000 гг.) развиты функциональные возможности системы. Можно работать со сборками, размер которых превышает 10 тыс. уникальных компонентов. В версии 8 сделан следующий шаг — применение новой технологии. получившей название Cognitive Assembly Design, и позволяющей "собрать", "изменить", "переместить". Эта технология позволяет также следить за тем, насколько сборка удовлетворят поставленным целям и соответствует заданным правилам. Solid Edge имеет полный набор функций для быстрого и точного моделирования деталей из листового материала.

Система среднего уровня Solid Edge интегрирована с системой верхнего уровня Unigraphics и системой введения проекта IMAM. Можно создать модель в Unigraphics и оформить чертеж в Solid Edge. Изменения в модели Unigraphics автоматически приведут к обновлению чертежа, созданного в Solid Edge. Возможна и обратная ситуация. Можно создать модель Solid Edge и использовать Unigraphics для программирования обработки на станке с ЧПУ.

В Украине и России растет популярность системы Solid Edge. Это объясняется полной локализацией продукта, включающей не только перевод интерфейса, справочной системы, обучающих программ на русский язык, но и настройку среды построения чертежей на ГОСТы, а также отлаженной системой обучения. В этом году появились первые отечественные программные продукты, расширяющие возможности Solid Edge.

Кроме перечисленных, известны также и другие системы 3D- моделирования (системы среднего уровня): PTModeller фирмы РСТ, Mechanical Desktop фирмы Autodesk, Eureca Cold фирмы CadLab и др. Фирма Autodesk использует новое ядро ЗD-моделирования ACIS 4.0.

Кроме того, существуют фирмы, применяющие в своих продуктах 3D- подсистемы собственной разработки, отличающиеся невысокими ценами и хорошим уровнем поддержки.

Рассмотрим далее современные системы CAD/CAM высокого уровня (крупномасштабные системы).

ProEngeneer— одна из ведущих систем для моделирования крупномасштабных сборочных изделий с параметризацией на всех уровнях моделирования (параметризация означает замену конкретного размера или координат в геометрической модели детали на символическое имя, или «параметр», что, по аналогии с подпрограммами в программировании, позволяет порождать множество деталей изменением значения одной величины — параметра). Возможности базовой системы могут расширяться более чем тремя десятками специализированных модулей, охватывающих чуть ли не все потребности реального машиностроительного производства. О стабильности и высоком качестве системы можно судить по номеру текущей версии (v.20) и последних многомиллионных контрактах.

В Европе меньшей популярностью пользуется во многом аналогичная вышеупомянутой система Euqlid производства Matra Datavision.

С появлением обновленной системы Euclid Quantum у Matra Datavision появились новые возможности, учитывая высокую ценовую конкурентоспособность этого продукта (ориентировочно 15 тыс. долл. за базовые модули против 20 тыс. долл. за аналогичную конфигурацию ProEngeneer).