Использование 3D моделей на различных этапах ЖЦИ

Информационная поддержка различных этапов ЖЦИ предполагает активное использование виртуальных, то есть трехмерных геометрических компьютерных моделей изделия и всех тех пространственных компонент, которые связаны с его проектированием, технологической подготовкой производства, изготовлением и т. д. (например, технологического оборудо-вания или оснастки).

Построение пространственной геометрической модели изделия явля-ется центральной задачей компьютерного проектирования. Именно эта мо-дель используется для дальнейшего решения задач формирования чертеж-но-конструкторской документации, проектирования средств технологиче-ского оснащения, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ. Кроме того, эта модель передается в системы инженерного анализа (САЕ-системы) и используется там для проведения инженерных расчетов. По компьютерной модели, с помощью методов и средств быстрого прототи-пирования, может быть получен физический образец изделия. 3D модель может быть не только построена средствами данной CAD-системы, но, в частном случае, принята из другой CAD-системы через один из согласо-ванных интерфейсов, или сформирована по результатам обмера физиче-ского изделия-прототипа на координатно измерительной машине (рис. 4.1).

Способы представления 3D моделей. Различают поверхностное (каркасно-поверхностное), твердотельное и смешанное (гибридное) моде-лирование.

При поверхностном моделировании сначала строится каркас – про-странственная конструкция, состоящая из отрезков прямых, дуг окружно-стей и сплайнов. Каркас играет вспомогательную роль и служит основой для последующего построения поверхностей, которые “натягиваются” на элементы каркаса.

В зависимости от способа построения, различают следующие виды поверхностей: линейчатые; вращения; кинематические; галтельного со-пряжения; проходящие через продольные и поперечные сечения; поверх-ности для “затягивания окон” между тремя и более смежными поверхно-стями; NURBS-поверхности, определяемые заданием контрольных точек продольных и поперечных сечений; планарные поверхности.

Хотя поверхности и определяют границы тела, но самого понятия “тело” в режиме поверхностного моделирования не существует, даже если

чие поверхностного моделирования от твердотельного.

Другая особенность состоит в том, что элементы каркасно-поверхностной модели никак не связаны друг с другом. Изменение одного из элементов не влечет за собой автоматического изменения других. Это дает большую свободу при моделировании, но одновременно значительно усложняет работу с моделью.

Рис. 4.1 Центральная роль компьютерной модели изделия

Твердотельное моделирование имеет в своей основе идеологию, ко-торая существенно отличается от идеологии каркасно-поверхностного мо-делирования. Твердотельная модель представляет собой целостный объект, занимающий замкнутую часть пространства. Всегда можно точно сказать, находится ли точка внутри твердого тела, на его поверхности или вне тела. При изменении в модели любого элемента будут изменяться все другие элементы, которые связаны с ним. В результате изменится форма твердого тела, но сохранится его целостность.

Элементами, из которых строится твердое тело, могут быть: элемен-ты вытягивания (полученные вытягиванием плоского контура перпендику-лярно его плоскости); элементы вращения (полученные вращением плос-кого контура вокруг заданной оси); фаски; скругления; оболочки; ребра жесткости и др.. Твердотельный объект строится путем последовательного “добавления” или “вычитания” элементов. Так, если к уже имеющейся

твердотельной модели “добавить" элемент вытягивания, то этот элемент образует на модели выступ, а при “вычитании” элемента на модели обра-зуется углубление. Если при построениях доступны одновременно не-сколько твердотельных объектов, то над любыми двумя твердотельными объектами, пересекающимися в пространстве, можно выполнять булевы операции объединения, вычитания и пересечения.

Твердотельное моделирование предполагает возможность установки параметрических зависимостей между элементами твердого тела или не-скольких тел. При этом изменение одного из параметров (например, длины элемента) приводит к соответствующей перестройке всех параметрически связанных элементов. Такое моделирование, называемое параметрическим, дает конструктору дополнительные удобства. Так, можно установить па-раметрические зависимости между элементами твердотельной сборки и, тем самым, автоматизировать контроль собираемости изделия.

Твердотельное моделирование позволяет быстро создавать модели изделий относительно простых форм (под простотой здесь понимается от-сутствие сложных поверхностей). К таким изделиям, как правило, можно отнести внутренние детали машин и механизмов, металлические корпус-ные детали и др. (рис.4.2).

Рис. 4.2 Модель корпусной детали, построенная с помощью операций твердотельного моделирования

При гибридном моделировании обеспечивается возможность одно-временной работы с твердотельными объектами и с поверхностями. При этом можно “отрезать” поверхностью часть твердого тела, превращать

замкнутый поверхностями объем в твердое тело и т. п. Гибридное модели-рование позволяет сочетать все удобства твердотельного моделирования с возможностью построения объектов сколь угодно сложной геометрической формы.

Гибридное моделирование, в частности, характерно при построении моделей пластмассовых изделий сложной пространственной формы, таких как различные детали автомобилей, самолетов, бытовых приборов и др. (рис.4.3).

а)

б)

Рис. 4.3 Модель отражателя фары автомобиля, построенная с помощью операций гибридного моделирования: а – вид спереди; б – вид сзади

В различных CAD/CAM-системах могут быть реализованы как все, так и некоторые из перечисленных типов моделирования.

Созданные модели могут передаваться из одной CAD/CAM-системы в другую через специальные интерфейсы – согласованные форматы дан-ных для обмена информацией.

Существует ряд так называемых стандартных интерфейсов. Они имеют формат символьных (ASCII) файлов, где описание геометрических и других характеристик модели выполняется в соответствии с принятым стандартом. На практике каждый формат имеет свои приоритетные облас-ти применения. Так, стандартный формат DXF используется в основном для передачи чертежно-графической информации; формат IGES – для пе-редачи геометрии поверхностных моделей; формат STL – для передачи модели, аппроксимированной плоскими элементами, из CAD-системы в автономную CAM-систему, систему инженерного анализа (САЕ-систему) или в установку для быстрого прототипирования изделий.

В последнее время все большее значение приобретает стандартный формат STEP, в котором, наряду с описанием геометрии модели, преду-сматривается описание других характеристик изделия. Существуют раз-личные протоколы стандарта STEP, определяющие полноту состава пере-даваемой информации об изделии.

В ряде случаев CAD/CAM-системы могут “понимать” внутренние форматы друг друга, используемые для представления моделей. В этом случае говорят о наличии прямых интерфейсов между системами.

Одним из практических примеров использования интерфейсов явля-ется передача на завод-изготовитель из конструкторского бюро информа-ции о спроектированном изделии (в электронном виде), в случае, когда конструкторское бюро и завод применяют в своей работе разные CAD/CAM-системы.

Особый вид 3D модели конечного изделия представляет собой так называемый цифровой макет изделия (DMU – Digital Mock-Up). DMU со-держит в своей основе сборочную модель изделия. Однако эта модель «обогащена» различными дополнительными сведениями о проекте; кроме того, из нее исключены все второстепенные элементы, такие как геометри-ческие компоненты построения деталей. При работе в среде DMU пользо-вателю доступны не обычные команды моделирования, а функции «обо-гащения» и анализа модели изделия, а также оптимизации модели сборки.

Трансформация структуры 3D моделей в CAD-системах. Выше рассматривались различные формы пространственного моделирования – поверхностное, твердотельное и гибридное. Однако в наиболее мощных CAD/CAM-системах представление модели имеет более сложный вид. Так, в системе CATIA V5 (см. ниже п.5) модель изделия может быть представ-лена совокупностью следующих видов информации:

• Объемное или не имеющее объема (представленное незамкнутыми по-верхностями) тело как результат булевых операций над составляющими его формами;

• Объемное или не имеющее объема тело как результат применения оп-ределенного метода его построения;

• Аргументы построения тела в виде геометрических элементов;

• Аргументы построения тела в виде совокупности логических и числен-ных параметров;

• Плоские параметрические эскизы с геометрическими отношениями ме-жду элементами;

• Управляющие параметры;

• Функции (отношения) между элементами;

• Массивы значений для конкретных параметров;

• Анализаторы, следящие за применением условных правил;

• Контролеры, приводящие в действие определенные функции на основе выполнения (невыполнения) условных правил;

• Результаты абсолютного или относительного анализа, предназначенные для использования как аргументов в других функциях;

• Ссылки и связи, привлекающие внешние или удаленные элементы (па-раметры) в качество аргументов построения данной формы;

• Методы, формализованные явным образом (пригодные для повторного применения) – “Power Copy”;

• Скрипты (программы), участвующие в работе методов как исполняемый программный код. Все детали (и представляющие их геометрические формы) различа-ются по их принадлежности к конструктивно-технологическому классу. Эти классы обобщают в одну категорию все множество деталей, имеющих устойчивые конструктивные и технологические признаки. Их геометриче-ское определение, соответственно, может иметь свои термины, методы и аргументы построения. Например, листовая деталь из алюминиевого спла-ва имеет свою особую спецификацию, отличную от, например, механиче-ской детали или электрического кабеля.

Такое достаточно сложное представление модели не только способ-ствует использованию информации об изделии на различных этапах его жизненного цикла, но и позволяет реализовать современный уровень авто-матизации проектирования, не ограничивающийся решением задач моде-лирования и черчения, а предполагающий реализацию таких возможно-стей, как параллельное проектирование, накопление и использование кор-

поративных знаний, автоматическое проведение изменений по всем этапам процесса проектирования, многовариантная визуализация проекта.

Любой объект в описании изделия наделен негеометрическими ха-рактеристиками следующих категорий:

• Графические атрибуты, представляющие объект средствами диалога системы.

• Идентификация, определяющая систему именования, обозначения и представления продукта в служебной документации.

• Физические свойства, определяющие механические и геометрические характеристики компонентов изделия – объем, площадь поверхности, координаты центра тяжести, ориентация векторов моментов инерции и другие. Физические свойства обычно происходят из результатов анали-зов.

• Технологические свойства, определяющие производственные характе-ристики компонентов изделия – термообработка, покрытие, маркировка, клеймение, чистота поверхности, допуски и другие.

• Административные свойства, определяющие характеристики объекта применительно к процессам его жизненного цикла – статус готовности, авторизация, сертификация и другие.

• Функциональные свойства, характеризующие целевые параметры изде-лия – производительность, ресурс, удельная себестоимость эксплуата-ции и другие. Большинство из них имеют непосредственное отношение к экономике промышленного бизнеса и контролируются особенно тща-тельно.

• Специальные (нерегулярные) свойства, провозглашенные для данного изделия в связи с какими-то уникальными его особенностями.

Особенно важно то, что между разнородными характеристиками мо-гут быть выражены отношения различных типов – логические, алгебраиче-ские, основанные на массивах значений или определяемые сценариями – скриптами. Эти отношения, имеющие вид правил, представляют собой форму организации конструкторско-технологических знаний об изделии.

3D модели на различных этапах ЖЦИ. Рассмотрим кратко, какую роль играют 3D модели на наиболее важных этапах жизненного цикла из-делия.

Проектирование. Этот этап обычно разделяют на концептуальное проектирование и рабочее (детальное) проектирование. При концептуаль-ном проектировании формируются и уточняются технические требования к изделию, осуществляются поиск и выбор принципиальных решений, обеспечивающих требуемую функциональность. При рабочем проектиро-вании выбранные концептуальные решения конкретизируются, определя-

также используемые материалы, формируется конструкторская докумен-тация.

На этапе концептуального проектирования 3D модели могут исполь-зоваться для представления концептуальных решений (например, принци-па функционирования механического устройства), их анализа и после-дующего отбора. На этапе рабочего проектирования 3D модели служат ос-новной формой представления геометрической информации об изделии, позволяют проводить компьютерные инженерные расчеты на прочность, долговечность и др., анализировать собираемость деталей и узлов, полу-чать чертежно-конструкторскую документацию.

Мышление конструктора, применяющего 3D моделирование, отли-чается от мышления конструктора, работающего только с чертежами. Эти отличия состоят в следующем.

1. Мысленные “образы чертежей” заменяются “образами моделей”, что раскрепощает пространственное мышление и способствует более быст-рому принятию решений.

2. Свобода в создании сложных геометрических форм и понимание того, что эти формы могут быть легко реализованы “в металле” с помощью интегрированных технологий, стимулируют творчество, повышают ин-терес к работе.

3. Используя при проектировании созданную ранее модель похожего из-делия (изделия-аналога), конструктор может иногда в десятки раз со-кратить общее время работы над проектом. Этот фактор способствует упорядочению информации о выполненных разработках, приводит к большей систематизации мышления.

Важно также, что при 3D проектировании резко уменьшается число ошибок в проекте. Это происходит по следующим причинам:

• Конструктор может наглядно видеть результат своей работы уже в про-цессе проектирования;

• Виды чертежа формируются на основании модели автоматически и по-этому исключаются ситуации, когда информация в одном виде не соот-ветствует другому;

• При проектировании сборочных единиц имеется возможность прове-рять собираемость и выявлять ошибки на уровне моделей.

Локальные или полные 3D модели используются как при концепту-альном, так и при рабочем проектировании для компьютерного инженер-ного анализа принимаемых конструкторских решений. Например, прочно-стной анализ модели пластмассового корпуса прибора может выявить его «слабые места» и привести к созданию дополнительных ребер жесткости.

3D модели может быть создан физический прототип с помощью ме-тодов быстрого прототипирования. Существует целый спектр таких мето-дов, реализуемых в установках быстрого прототипирования. Эти установ-ки различаются как принципами формирования физического прототипа, так и используемым для получения прототипа материалом.

Технологическая подготовка производства (ТПП). До появления средств компьютерного 3D моделирования исходной информацией для этапа ТПП служила чертежно-конструкторская документация. В настоящее время 3D модели рассматриваются как составная часть конструкторской документации на изделие. При этом появляется возможность непосредст-венного использования геометрии 3D моделей в задачах ТПП. К таким за-дачам можно отнести:

• Проектирование сложной формообразующей оснастки и инструмента – пресс-форм, штампов и электродов;

• Моделирование процессов формообразования (литья, штамповки, ковки и др.) с целью выявления возможных дефектов и их последующего уст-ранения, а также с целью экономии материала;

• Формирование управляющих программ обработки деталей сложных форм на станках с ЧПУ;

• Построение операционных эскизов при разработке технологических процессов.

Методы и средства решения этих задач будут рассмотрены в после-дующих разделах данного пособия.

Важно отметить, что роль 3D моделей в ТПП не ограничивается ис-пользованием модели изделия и его компонентов. Для изготовления слож-ных приборов и систем необходимо спроектировать и изготовить большое число приспособлений, пресс-форм, штампов, различные виды специаль-ного инструмента, а также нестандартное оборудование. При решении этих задач роль 3D моделей во многом сходна с их ролью на этапе проектиро-вания основного изделия.

Еще один аспект использования 3D моделей в сфере ТПП – это соз-дание 3D моделей сложного технологического оборудования с целью вир-туального моделирования процесса обработки. Такое моделирование по-зволяет выявить и устранить возможные коллизии (столкновения) в систе-ме «станок – приспособление – инструмент – деталь».

Производство. Здесь моделирование используется для анализа и оп-тимизации производственных процессов. Например, в роботизированной линии по сборке сложного изделия необходим не только контроль столк-новений, но и временная синхронизация действий отдельных роботов и людей. Создав 3D модели технологического оборудования и используя

систему виртуального моделирования производственных процессов, мож-но решать указанные выше задачи.

Так, в системе DELMIA (она будет рассмотрена в п.5) содержится набор инструментов для цифрового описания, прогнозирования и модели-рования производственных процессов изготовления изделий и необходи-мых для этого ресурсов. Предприятие получает возможность моделировать процессы изготовления изделия параллельно с его проектированием, опе-ративно учитывая возникающие конструктивные изменения, множествен-ность версий и исполнений изделия, ограничения, налагаемые оборудова-нием и человеческим фактором. Это позволяет существенно сокращать сроки разработки и запуска в производства новых изделий, повышать их качество и технологичность.

Реализация. Здесь 3D модели могут использоваться для создания слайдов и анимационных фильмов, выгодно представляющих созданное изделие и поясняющих принципы его работы. Эти слайды и фильмы могут использоваться в коммерческих предложениях или для рекламных целей.

Эксплуатация. 3D модели могут, как и для этапа реализации, ис-пользоваться для создания слайдов и анимационных фильмов, которые, в свою очередь, используются в качестве элементов или составных частей эксплуатационной документации.

Ремонт и обслуживание. Здесь 3D модели могут использоваться для создания так называемых интерактивных электронных технических руко-водств (ИЭТР), которые детально поясняют процессы ремонта и обслужи-вания изделия. ИЭТР наиболее востребованы применительно к сложным видам промышленной продукции. В самом деле, трудно и даже невозмож-но представить себе ремонт и обслуживание бортовых систем самолета или корабля без соответствующей технической документации.

ИЭТР предназначены для решения следующих задач:

• обеспечение пользователя справочными материалами об устройстве и принципах работы изделия;

• обеспечение пользователя справочными материалами, необходимыми для эксплуатации изделия, выполнения регламентных работ и ремонта изделия;

• обеспечение пользователя информацией о технологии выполнения опе-раций с изделием, о потребности в необходимых инструментах и мате-риалах, о количестве и квалификации персонала;

• подготовка и реализация автоматизированного заказа материалов и за-пасных частей;

• планирование и учет проведения регламентных работ;

• обмен данными между потребителем и поставщиком.

систему виртуального моделирования производственных процессов, мож-но решать указанные выше задачи.

Так, в системе DELMIA (она будет рассмотрена в п.5) содержится набор инструментов для цифрового описания, прогнозирования и модели-рования производственных процессов изготовления изделий и необходи-мых для этого ресурсов. Предприятие получает возможность моделировать процессы изготовления изделия параллельно с его проектированием, опе-ративно учитывая возникающие конструктивные изменения, множествен-ность версий и исполнений изделия, ограничения, налагаемые оборудова-нием и человеческим фактором. Это позволяет существенно сокращать сроки разработки и запуска в производства новых изделий, повышать их качество и технологичность.

Реализация. Здесь 3D модели могут использоваться для создания слайдов и анимационных фильмов, выгодно представляющих созданное изделие и поясняющих принципы его работы. Эти слайды и фильмы могут использоваться в коммерческих предложениях или для рекламных целей.

Эксплуатация. 3D модели могут, как и для этапа реализации, ис-пользоваться для создания слайдов и анимационных фильмов, которые, в свою очередь, используются в качестве элементов или составных частей эксплуатационной документации.

Ремонт и обслуживание. Здесь 3D модели могут использоваться для создания так называемых интерактивных электронных технических руко-водств (ИЭТР), которые детально поясняют процессы ремонта и обслужи-вания изделия. ИЭТР наиболее востребованы применительно к сложным видам промышленной продукции. В самом деле, трудно и даже невозмож-но представить себе ремонт и обслуживание бортовых систем самолета или корабля без соответствующей технической документации.

ИЭТР предназначены для решения следующих задач:

• обеспечение пользователя справочными материалами об устройстве и принципах работы изделия;

• обеспечение пользователя справочными материалами, необходимыми для эксплуатации изделия, выполнения регламентных работ и ремонта изделия;

• обеспечение пользователя информацией о технологии выполнения опе-раций с изделием, о потребности в необходимых инструментах и мате-риалах, о количестве и квалификации персонала;

• подготовка и реализация автоматизированного заказа материалов и за-пасных частей;

• планирование и учет проведения регламентных работ;

• обмен данными между потребителем и поставщиком.

Лекция 3. Особенности использования 3D моделирования в конструкторском и технологическом проектировании

Под 3D моделью объекта понимают его пространственную (трехмерную) компьютерную геометрическую модель, которая может включать в себя также набор атрибутов, описывающих объект. 3D модели могут создаваться на различных этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ), упрощенная схема которого включает в себя следующие этапы: Маркетинг, Проектирование, Технологическая подготовка производства, Производство, Реализация, Эксплуатация, Ремонт и обслуживание, Утилизация. Оставляя в стороне этап маркетинга, рассмотрим роль 3D моделей, начиная с этапа проектирования.

Проектирование. Этот этап обычно разделяют на концептуальное проектирование и рабочее (детальное) проектирование. При концептуальном проектировании формируются и уточняются технические требования к изделию, осуществляются поиск и выбор принципиальных решений, обеспечивающих требуемую функциональность. При рабочем проектировании выбранные концептуальные решения конкретизируются, определяются состав узлов и деталей, точные геометрические размеры изделия, а также используемые материалы, формируется конструкторская документация.

На этапе концептуального проектирования 3D модели могут использоваться для представления концептуальных решений (например, принципа функционирования механического устройства), их анализа и последующего отбора. На этапе рабочего проектирования 3D модели служат основной формой представления геометрической информации об изделии, позволяют проводить компьютерные инженерные расчеты на прочность, долговечность и др., анализировать собираемость деталей и узлов, получать чертежно-конструкторскую документацию.

Мышление конструктора, применяющего 3D моделирование, отличается от мышления конструктора, работающего только с чертежами. Эти отличия состоят в следующем.

1. Мысленные “образы чертежей” заменяются “образами моделей”, что раскрепощает пространственное мышление и способствует более быстрому принятию решений.

2. Свобода в создании сложных геометрических форм и понимание того, что эти формы могут быть легко реализованы “в металле” с помощью интегрированных технологий, стимулируют творчество, повышают интерес к работе.

3. Используя при проектировании созданную ранее модель похожего изделия (изделия-аналога), конструктор может иногда в десятки раз сократить общее время работы над проектом. Этот фактор способствует упорядочению информации о выполненных разработках, приводит к большей систематизации мышления.

Технологическая подготовка производства (ТПП). До появления средств компьютерного 3D моделирования исходной информацией для этапа ТПП служила чертежно-конструкторская документация. В настоящее время 3D модели рассматриваются как составная часть конструкторской документации на изделие. При этом появляется возможность непосредственного использования геометрии 3D моделей в задачах ТПП. К таким задачам можно отнести:

• Проектирование сложной формообразующей оснастки и инструмента – пресс-форм, штампов и электродов;

• Моделирование процессов формообразования (литья, штамповки, ковки и др.) с целью выявления возможных дефектов и их последующего устранения, а также с целью экономии материала;

• Формирование управляющих программ обработки деталей сложных форм на станках с ЧПУ;

• Построение операционных эскизов при разработке технологических процессов.

Методы и средства решения этих задач будут рассмотрены в последующих разделах данного пособия.

Важно отметить, что роль 3D моделей в ТПП не ограничивается использованием модели изделия и его компонентов. Для изготовления сложных приборов и систем необходимо спроектировать и изготовить большое число приспособлений, пресс-форм, штампов, различные виды специального инструмента, а также нестандартное оборудование. При решении этих задач роль 3D моделей во многом сходна с их ролью на этапе проектирования основного изделия.

Еще один аспект использования 3D моделей в сфере ТПП – это создание 3D моделей сложного технологического оборудования с целью виртуального моделирования процесса обработки. Такое моделирование позволяет выявить и устранить возможные коллизии (столкновения) в системе «станок – приспособление – инструмент – деталь».

Как известно, 3D модели создаются в CAD-системах (или в CAD/CAM-системах) имеющимися в них средствами геометрического моделирования. Модель хранится в системе (в памяти компьютера) как некоторое математическое описание и отображается на экране в виде пространственного объекта. Объект может отображаться в различном представлении: каркасном, с удалением невидимых линий, полупрозрачном и полутоновом

Риунок. 2.2 Центральная роль компьютерной модели изделия

Созданные модели могут передаваться из одной CAD/CAM-системы в другую через специальные интерфейсы – согласованные форматы дан-ных для обмена информацией.

Существует ряд так называемых стандартных интерфейсов. Они имеют формат символьных (ASCII) файлов, где описание геометрических и других характеристик модели выполняется в соответствии с принятым стандартом. На практике каждый формат имеет свои приоритетные облас-ти применения. Так, стандартный формат DXF используется в основном для передачи чертежно-графической информации; формат IGES – для передачи геометрии поверхностных моделей; формат STL – для передачи модели, аппроксимированной плоскими элементами, из CAD-системы в автономную CAM-систему, систему инженерного анализа (САЕ-систему) или в установку для быстрого прототипирования изделий.

В последнее время все большее значение приобретает стандартный формат STEP, в котором, наряду с описанием геометрии модели, преду-сматривается описание других характеристик изделия. Существуют раз-личные протоколы стандарта STEP, определяющие полноту состава пере-даваемой информации об изделии.

В ряде случаев CAD/CAM-системы могут “понимать” внутренние форматы друг друга, используемые для представления моделей. В этом случае говорят о наличии прямых интерфейсов между системами.

Одним из практических примеров использования интерфейсов является передача на завод-изготовитель из конструкторского бюро информа-ции о спроектированном изделии (в электронном виде), в случае, когда конструкторское бюро и завод применяют в своей работе разные CAD/CAM-системы.

Трансформация структуры 3D моделей в CAD-системах. Выше рассматривались различные формы пространственного моделирования – поверхностное, твердотельное и гибридное. Однако в связи с тем, что компании – разработчики наиболее мощных CAD/CAM-систем стремятся проводить свои решения в соответствии со стратегией PLM, представлениемодели усложняется. Так, в системе CATIA V5 модель изделия может быть представлена совокупностью следующих видов информации:

• Объемное или не имеющее объема (представленное незамкнутыми поверхностями) тело как результат булевых операций над составляющими его формами;

• Объемное или не имеющее объема тело как результат применения определенного метода его построения;

• Аргументы построения тела в виде геометрических элементов;

• Аргументы построения тела в виде совокупности логических и численных параметров;

• Плоские параметрические эскизы с геометрическими отношениями между элементами;

• Управляющие параметры;

• Функции (отношения) между элементами;

• Массивы значений для конкретных параметров;

• Анализаторы, следящие за применением условных правил;

• Контролеры, приводящие в действие определенные функции на основе выполнения (невыполнения) условных правил;

• Результаты абсолютного или относительного анализа, предназначенные для использования как аргументов в других функциях;

• Ссылки и связи, привлекающие внешние или удаленные элементы (параметры) в качество аргументов построения данной формы;

• Методы, формализованные явным образом (пригодные для повторного применения) – “Power Copy”;

• Скрипты (программы), участвующие в работе методов как исполняемый программный код.

Все детали (и представляющие их геометрические формы) различаются по их принадлежности к конструктивно-технологическому классу. Эти классы обобщают в одну категорию все множество деталей, имеющих устойчивые конструктивные и технологические признаки. Их геометрическое определение, соответственно, может иметь свои термины, методы и аргументы построения. Например, листовая деталь из алюминиевого сплава имеет свою особую спецификацию, отличную от, например, механической детали или электрического кабеля.

Такое достаточно сложное представление модели не только способствует использованию информации об изделии на различных этапах его жизненного цикла, но и позволяет реализовать современный уровень автоматизации проектирования, не ограничивающийся решением задач моделирования и черчения, а предполагающий реализацию таких возможностей, как параллельное проектирование, накопление и использование корпоративных знаний, автоматическое проведение изменений по всем этапам процесса проектирования, многовариантная визуализация проекта.

Любой объект в описании изделия наделен негеометрическими ха-рактеристиками следующих категорий:

• Графические атрибуты, представляющие объект средствами диалога системы.

• Идентификация, определяющая систему именования, обозначения и представления продукта в служебной документации.

• Физические свойства, определяющие механические и геометрические характеристики компонентов изделия – объем, площадь поверхности, координаты центра тяжести, ориентация векторов моментов инерции и другие. Физические свойства обычно происходят из результатов анализов.

• Технологические свойства, определяющие производственные характеристики компонентов изделия – термообработка, покрытие, маркировка, клеймение, чистота поверхности, допуски и другие.

• Административные свойства, определяющие характеристики объекта применительно к процессам его жизненного цикла – статус готовности, авторизация, сертификация и другие.

• Функциональные свойства, характеризующие целевые параметры изделия – производительность, ресурс, удельная себестоимость эксплуатации и другие. Большинство из них имеют непосредственное отношение к экономике промышленного бизнеса и контролируются особенно тщательно.

• Специальные (нерегулярные) свойства, провозглашенные для данного изделия в связи с какими-то уникальными его особенностями.

Особенно важно то, что между разнородными характеристиками могут быть выражены отношения различных типов – логические, алгебраические, основанные на массивах значений или определяемые сценариями – скриптами. Эти отношения, имеющие вид правил, представляют собой форму организации конструкторско-технологических знаний об изделии.

Отметим, что важность представления и использования знаний в задачах ТПП понималась еще до появления методов и средств 3D моделирования. В многочисленных работах предлагалось использование знаний в виде таблиц решений, правил, семантических сетей и фреймов для задач проектирования оснастки, инструмента и технологических процессов. Использование декларативных знаний обеспечивало гибкость создаваемых систем, их адаптируемость к особенностям предметной области и правилам принятия проектных решений. Однако, отсутствие на тот период средств создания 3D моделей изделий не позволяло получить значимый практический эффект от выполненных разработок.

С другой стороны, автоматизация конструкторского проектирования лишь за счет построения 3D моделей и последующего получения чертежей также во многих случаях не приносит должного эффекта в силу недостаточно высокого уровня автоматизации. Частичное улучшение дает разработка и использование специальных процедурных приложений к CAD-системе (например, конструирование пакета пресс-формы с использовани-ем баз нормализованных деталей); существенно больший эффект может дать интегрированное использование набора процедурных приложений. Однако, этот подход не может быть реализован для всех видов проектных процедур ТПП, как в силу их большого числа, так и по причине слабой формализации и типизации многих проектных решений.

Подход к решению задач автоматизации проектирования за счет интегрированного использования 3D моделей и баз знаний способен привести одновременно и к гибкости создаваемой системы, и к существенному общему повышению уровня автоматизации. При этом, за счет формализации и хранения корпоративных знаний, для предприятия во многом решается проблема нехватки высококвалифицированных конструкторов и технологов.

Общая схема интегрированного использования 3D моделей и баз знаний приведена на рис. 2.8. Здесь под приложением понимается некоторая проектная процедура ТПП, реализуемая средствами прикладного программного интерфейса (API) CAD-системы и решающая конкретную задачу конструкторского или технологического проектирования с использованием базы корпоративных знаний.

На приведенной схеме не конкретизировано, является ли 3D модель моделью основного изделия или моделью изделия ТПП – это зависит от характера решаемой приложением задачи. Приложение может использовать в своей работе несколько моделей, а также вспомогательную информацию – например, геометрические или технологические шаблоны.

Применение данной схемы позволяет строить прикладные САПР, работающие “от технического задания” и генерирующие все необходимые геометрические модели, чертежи, технологические процессы, текстовые или текстово-графические документы. Реализация каждой конкретной САПР требует определенных усилий, однако в результате достигаются высокий уровень автоматизации проектных решений и гибкость системы.

Риунок. 2.8 Схема интегрированного использования 3D модели и базы знаний

Рисунок 6-1 Использование 3D при решении задач разработки ОТП и формирования УП для оборудования с ЧПУ

Большая часть используемых на практике САПР ТП (TECHCARD, АВТОПРОЕКТ и др.) базируется на использовании метода индивидуального проектирования. Это обусловлено тем, что такие системы наиболее просты и являются универсальными. Однако, сам уровень автоматизации проектирования ТП, при использовании метода индивидуального проектирования, остается невысоким. Поэтому проблема синтеза ТП с применением методов искусственного интеллекта по-прежнему является актуальной.

Особенность прежних систем синтеза ТП состояла в том, что они требовали описания детали на входе системы. Это описание было трудоемким и могло содержать плохо диагностируемые ошибки. Написание маршрутного ТП по чертежам вручную занимало у опытного технолога меньше времени, чем описание детали для САПР ТП. Поэтому практическая ценность систем синтеза была ограничена.

Сегодня, с учетом использования CAD-систем для автоматизации конструирования, геометрия требуемой детали может быть получена из CAD-системы “бесплатно”. Однако, описание получаемой CAD-модели не содержит набора технологических признаков, необходимых для проектирования ТП. Поэтому нужна специальная программа (“Геометрический анализатор”), которая на основании CAD-модели формировала бы технологическое описание детали. Геометрический анализатор должен строиться на основе методов искусственного интеллекта, распознавания образов и использования баз знаний (рис. 7.1).

После программы “Геометрического анализатор” должна работать программа “Технологический решатель”, которая, на основании сформированного технологического описания детали, осуществляет непосредственное проектирование ТП методом синтеза. Решение этой задачи также требует применения методов искусственного интеллекта и использования баз знаний.

Сегодня разработка методов синтеза ТП носит в основном характер научных исследований. С учетом этого важно проанализировать, каким образом можно использовать 3D модели, оставаясь в рамках метода индивидуального проектирования.

Одной из задач при проектировании маршрутно-операционного ТП является разработка операционных эскизов. Операционный эскиз является текстово-графическим документом, поясняющим, какую геометрию должна иметь деталь после выполнения данной операции.

Рис. 7.1 Общая схема проектирования ТП на основе CAD-модели методом синтеза

Дата добавления: 2014-01-20