Лекция 2. Методы и средства 3D моделирования изделий

Цель лекции: изучение методов моделирования.

Для создания 3D моделей используют CAD-системы (CAD/CAM-системы), которые содержат себе средства геометрического моделирования изделий. Модель хранится в памяти компьютера и представляется в виде математического описания изделия и отображается в виде пространственного объекта на экране. Один и тот же объект можно представить в различных представлениях: в каркасном (с наличием невидимых линий),без показа невидимых линий, полупрозрачном и полутоновом (рисунок 1).

а) каркасное; б) с удалением невидимых линий; в) полутоновое.

Рисунок 1- Виды представления объекта

Основной целью компьютерного проектирования является построение геометрической модели изделия в пространстве. Эта модель будет дальше использоваться для дальнейших формирований конструкторской документации, конструирования основных средств технологического процесса, проектирования программ управления машин с ЧПУ. Помимо этого, разработанная модель отправляется дальше для инженерного анализа (САЕ системы), где производятся инженерные расчеты. С помощью различных методов и средств оперативного прототипирования, по компьютерной модели, можно получит физический образ законченного изделия. Можно построить 3D модель не только при помощи средств одной CAD-системы, но и перекинуть из другой CAD-системы, используя какой- либо согласованный интерфейс.

Способы представления моделей. Существуют различные типы моделирования: каркасно-поверхностное (поверхностное), моделирование твердых тел (твердотельное) и гибридное (смешанное) моделирование.

При каскадно-поверхностном моделировании первым делом необходимо построить каркас. Каркас является пространственной конструкцией, которая состоит из прямых, сплайнов и дуг окружностей. Каркас не является основным элементом в моделировании, но служит основой при построении любых поверхностей, которые будет «натягиваться» на каркас.

По способам построения можно выделить следующие типы поверхностей: вращения; линейчатые; галтельного сопряжения; кинематические; поверхности, которые проходят через различные сечения (продольные и поперечные); для «вмещения окон», находящихся между несколькими смежными поверхностями; поверхности, которые определяются заданными точками продольных и поперечных сечений (NURBS-поверхности); планарные поверхности. Несмотря на то, что поверхности определяют границы детали, использование понятия «тело» при поверхностном моделировании не уместно, если даже поверхность имеет границы в виде замкнутого объема. Это является наиболее важным отличием каркасно-поверхностного моделирования от моделирования твердых тел.

Еще одной важной отличительной особенностью каркасно-поверхностного моделирования от других типов моделирования является то, что все элементы модели независимы друг от друга. То есть, при изменение одного элемента не повлияет на автоматическое изменение других элементов. Такая особенность, конечно, усложняет работу проектирования модели, но дает больше свободы при проектировании.

Моделирование твердых тел имеет существенные отличия от поверхностного моделирования. Модель твердого тела является целостным объектом. То есть это модель, занимает замкнутый объем пространства. Существует возможность определения точного местоположения некой точки внутри или на поверхности твердого тела, установки принадлежности этой точки к объемному телу. Изменение в модели какого-либо одного элемента влечет за собой изменение всех других элементов модели, которые были с ним связаны. В конечном итоге такого изменения изменится форма всего твердого тела, но при этом сохранится целостность детали.

Перечислим элементы, использование которых позволяет построить твердотельную деталь: элементы вытягивания, получаемые путем вытягивания перпендикулярно плоскости плоского контура; элементы вращения, получаемые путем вращения заданного плоского контура, для которого определяется ось вращения; оболочки; фаски; скругления и т.д. Объект твердого тела строится при последовательном построении или «вычитании» элементов. Например, если имеется твердотельная модель, к ней можно «прибавить» элемент вытягивания, для того, чтобы на модели образовался выступ. Аналогично, можно применить элемент «вычитания», для того, чтобы получить углубление на модели. Если модель имеет несколько объектов твердых тел, существует перспектива применения булевых операций с объектами, которые пересекаются в пространстве, то есть, применение операций вычитания, объединения и пересечения.

Моделирование твердых тел предусматривает возможность установления параметрических связей между твердотельными элементами или нескольких таковых. В случае изменения одного из параметров (площади, длины элемента) происходит какая-либо перестройка во всех связанных элементах. Такой тип твердотельного моделирования носит название – параметрический. Параметрическое моделирование дает проектировщику дополнительные удобства. Существует перспектива установки параметрической зависимости элементов сборки твердых тел и, в итоге, произвести автоматизированный контроль по собираемости готового изделия.

При смешанном моделировании существует возможность одновременно работать с объектами твердых тел и с поверхностями. Также можно превратить замкнутые объемные поверхности в твердотельный элемент и т.д. Смешанное моделирование способно совмещать в себе все преимущества моделирования твердых тел с возможностями построения объектов сложных геометрических форм.

Существует ряд различных CAD/CAM систем которые способны реализовать все или некоторые типы моделирования.

Существует возможность перекидывания моделей через стандартные интерфейсы из одной CAD/CAM системы в другие. Интерфейс является согласованным форматом данных, который предназначен для обмена данными.

Существует множество специальных интерфейсов такие стандартные интерфейсы имеют формат ASCII, где содержится описание геометрических характеристик моделей, выполненных в соответствии с установленными стандартами. Каждый существующий формат имеет свою приоритетную область применения. Например, специальный формат DXF применяется, в основном при передаче чертежно-графических данных; формат STL – при передаче аппроксимированной плоским элементом модели; формат IGES – при передаче геометрий поверхностных моделей.

В последнее время, наиболее популярным стандартным форматом является STEP. Данный стандарт включает в себя геометрическую информацию модели, а также другие специальные характеристики изделия. Стандарт STEP содержит множество протоколов, которые определяют весь состав передаваемых данных, относящихся к данному изделию. Также существуют прямые интерфейсы между системами, которые распознают форматы друг друга.

Например, необходимо передать на завод-изготовитель информацию об сконструированном приборе из конструкторского бюро, тогда, когда завод-изготовитель и конструкторское бюро применяют в своих проектах разные типы CAD/CAM систем.

Классификация CAD/CAM систем. В современном мире существует множество различных CAM,CAD и CAD/CAM систем, которые отличаются друг от друга в области применения, функциональной мощности, степени сложности изучения системы оператором, стоимости. CAD/CAM системы классифицируются следующим образом:

1) CAD/CAM системы, которые обеспечивают решения задач подготовки производства и проектирования на более высоком уровне автоматизированного управления (high end). Такие 3D системы используются при работе на корпоративном уровне. Эти системы ориентированы на связанные процессы и не нацелены на решение отдельных задач. Они содержат развитый комплекс технических приложений. На сегодняшний день существуют такие системы как Unigraphics. CATIA и Pro/Engineer.

2) CAD или CAD/CAM системы являются системами нижнего уровня (middle end) автоматизации процессов проектирования. Они имеют меньшее технических приложений, которые имеют существенные ограничения. Но такие системы способны обеспечить полноценные пространственные геометрические модели изделий и обеспечивают чертежно-конструкторской документацией. Представителями таких систем являются Power Shape/Power Mill, Cimatron E, КОМПАС 3DSolidWorks.

3) Также существуют CAD системы с более низким уровнем автоматизации. Это 2D системы, используемые при проектировании чертежных работ, 3D системы, имеющие существенные ограничения (например, по сложности конструкции моделей, по количеству деталей в сборке и др.). Например, система КОМПАС-График.

Одним из представителей наиболее мощных CAD/CAM/CAE систем можно считать систему CATIA V5. Эта система является средством поддержки различных PLM решений (Product Lifecycle Management – управление жизненным циклом промышленных изделий). Система CATIA V5 содержит не только “основные” средства автоматизации, присущие для CAD/CAM, но и ряд специальных приложений, предназначенные для различных отраслей производства. Чтобы осуществлять управление ЖЦИ, модель в CATIA V5 имеет не только геометрические данные, но и набор различных атрибутов.

Дата добавления: 2017-01-13