Преимущества нисходящего проектирования на примере использования Pro/ENGINEER WILDFIRE

Олег Гаршин, Александр Московченко

Восходящий и нисходящий способы проектирования

Создание компоновки

Проектирование деталей и узлов

Внесение изменений в конструкцию

Основные выводы

Восходящий и нисходящий способы проектирования

Проектируя новые изделия с использованием трехмерных САПР, на предприятиях обычно применяют восходящий метод (рис. 1), заключающийся в том, что сначала разрабатывают (моделируют) независимо друг от друга детали, а затем из них, как из кубиков, создают сборочную конструкцию, на основе которой впоследствии формируется спецификация.

Применение этого способа проектирования оправданно в тех случаях, когда оно осуществляется по уже имеющимся чертежам и схемам, позволяя, например, выявить неточности в конструкторской документации. Однако если параметры моделей зависят друг от друга, но их взаимосвязи не заданы, внесение изменений в конструкцию становится трудоемким и занимает много времени: конструктор вынужден изменять параметры каждой детали по отдельности, а затем проверять сборку на пересечение компонентов, механизм — на работоспособность и т.д.

Конечно, практически все системы проектирования имеют средства для создания таких взаимосвязей путем введения соотношений между параметрами деталей или путем создания моделей деталей в контексте сборки с привязкой их геометрии к уже разработанным моделям. Однако такая последовательность связей, когда каждый новый компонент сборки зависит от нескольких предыдущих, негативно сказывается на производительности компьютера при работе с большими сборками. Кроме того, применение восходящего метода при проектировании новых изделий приводит к необходимости предварительного создания их компоновки на кульмане или в двумерной системе CAD.

В таких случаях более предпочтителен нисходящий метод проектирования (рис. 2), заключающийся в том, что разработка изделия начинается с создания его компоновки и определения структуры, на основе которых затем моделируются входящие в изделие детали и узлы. Ниже мы рассмотрим, как осуществляется проектирование по нисходящему методу — от идеи к чертежам в системе трехмерного проектирования Pro/ENGINEER WILDFIRE (рис. 3) на примере механизма, модель которого приведена на рис. 4. Рассматриваемый механизм может находиться в двух состояниях: сложенном ( а ) и разложенном ( б ).

Создание компоновки

Компоновка в Pro/ENGINEER WILDFIRE происходит в два этапа: сначала создается так называемая записная книжка инженера (Layout) , а затем — каркасная модель сборки (Skeleton) .

«Записная книжка» представляет собой концептуальный двумерный эскиз (рис. 5), в котором ведущий конструктор определяет перечень основных управляющих параметров. Для рассматриваемого механизма могут быть определены следующие параметры: габариты конструкции, длина движущихся рычагов, расстояние от концов рычагов до края и, при необходимости, взаимосвязи между ними. Указанные параметры могут быть как задаваемыми, так и расчетными, причем значения первых пользователь вводит с клавиатуры, а значения вторых задаются с помощью уравнений, в которых могут быть использованы арифметические операторы, тригонометрические функции, условные операторы и т.п. Так, например, в нашем случае была задана зависимость длины рычага от высоты и длины конструкции.

Двумерный эскиз обычно определяет общую схему изделия и может быть либо создан с использованием чертежных инструментов Pro/ENGINEER WILDFIRE, либо импортирован из другого графического файла. Он никак не связан с геометрией проектируемой сборки, поэтому достаточно схематично прорисовать разрабатываемое изделие без соблюдения масштаба и детальной прорисовки. На нем указываются основные размеры, которые конструктор может изменять непосредственно на виде.

В «записной книжке» можно создать область сообщений об ошибках, которые позволят избежать ввода заведомо некорректных значений параметров. Критерии проверки корректности также определяются ведущим конструктором. Например, в нашем случае критерием проверки было выбрано расстояние между концами рычагов (см. рис. 5, параметр «Опора») — если это расстояние задается разработчиком меньшим, чем половина длины изделия, то конструкция становится неустойчивой. При вводе некорректных значений длины или высоты будет выдано сообщение об ошибке, что позволяет ввести исправление сразу, без перестроения сборки.

Использование «записной книжки инженера» позволяет автоматизировать процессы создания сборки. Для этого в «записной книжке» создаются необходимые опорные элементы: координатные системы, плоскости, оси. В деталях и сборках эти опорные элементы задаются как реперы для выполнения последующих операций сборки. При включении в сборку нового компонента система предлагает автоматически разместить его в соответствии с компоновкой.

Возможности Pro/ENGINEER WILDFIRE позволяют применять в одном проекте несколько «записных книжек» одновременно, что удобно при работе над большими проектами. Например, при разработке автомобиля можно создать отдельные «записные книжки» для двигателя, каркаса, подвески и т.д. и установить взаимосвязи между ними.

Каркасная модель сборки  — это трехмерная модель, геометрия которой определяет пространственные требования к сборке, состыковку компонентов и другие характеристики, необходимые для размещения компонентов сборки и определения их геометрии. Каркасная модель обычно состоит из опорных конструктивных элементов (плоскостей, кривых, координатных систем, точек) и поверхностей. На рис. 6 представлена каркасная модель проектируемого механизма.

При построении геометрии каркасной модели ведущий конструктор устанавливает взаимосвязи между ее размерами и параметрами «записной книжки», что позволяет в дальнейшем при изменении параметров обеспечить автоматическое изменение всех связанных параметров в каркасной модели, а через нее — во всех компонентах сборки. Ведущему конструктору достаточно поменять размер или другой параметр в компоновке, и соответствующие изменения автоматически выполнятся во всех связанных деталях, узлах и чертежах. На рис. 7 отмечены зависимости, созданные в каркасной модели.

Таким образом, ведущий конструктор, работая над компоновкой изделия, задает критерии проектирования, которые впоследствии используются проектировщиками при разработке входящих в изделие сборочных единиц и деталей.

Проектирование деталей и узлов

Следующий шаг — это создание сборки изделия. Конструктор формирует структуру изделия, создавая новые детали и узлы уже в контексте сборки (а не отдельно от нее, как при восходящем проектировании), привязывая их к геометрии каркасной модели. Затем разрабатывается геометрия компонентов. Конечно, их геометрию можно создавать и непосредственно в сборке, но, как правило, это менее эффективно, поскольку в таком случае будет сложно обеспечить возможность параллельного проектирования, при котором исполнители одновременно работают над вверенным каждому из них компонентом сборки. Другими словами, каждый член проектной команды вынужден будет иметь на своем компьютере всю сборку, а это, как правило, только мешает сосредоточиться на выполняемой им конкретной задаче.

Организовать параллельное проектирование в Pro/ENGINEER WILDFIRE дает возможность инструмент Copy Geometry , позволяющий копировать любую геометрию — поверхности, кривые, кромки, точки, координатные системы и т.д. между компонентами сборки. При нисходящем проектировании основным источником копируемой геометрии для разработчика является каркасная модель сборки, однако в некоторых случаях используется копирование между деталями и узлами сборки.

После того как ведущий конструктор создает структуру сборки (детали и узлы в ней пока пустые), разработчик копирует геометрию из ее каркасной модели. Открывая «свою» деталь или узел, он имеет дело лишь с геометрией, необходимой ему для работы, не используя сборки в целом, а это значительно снижает требования к конфигурации компьютеров, на которых проектируются входящие в сборку компоненты. В то же время между исходной и скопированной геометрией сохраняется ассоциативная связь — изменение каркасной модели влечет за собой изменение всех зависящих от ее геометрии компонентов.

На начальном этапе работы над структурой сборки (рис. 8) были созданы три детали, а затем в каждую из них были скопированы различные наборы геометрии из каркасной модели. На рис. 9 показана одна из этих трех деталей, открытая в отдельном окне, и ее геометрия, созданная на основе геометрии каркасной модели.

Привязка компонентов к каркасной модели позволяет также моделировать перемещение компонентов в сборке. Например, при изменении высоты конструкции, смоделированной в каркасе, изменится и положение всех связанных с каркасом компонентов (см. рис. 4). Таким образом, применение каркасной модели позволило без создания кинематических связей между компонентами смоделировать два положения конструкции.

Копирование геометрии также используется для введения в проект пространственных критериев, перенесенных из сборки верхнего уровня. Приведем пример. Для насоса, показанного на рис. 10, необходимо спроектировать обвязку, состоящую из трубопроводов на входе и выходе насоса, разработать присоединительные фланцы, подвести к специальному штуцеру магистраль для охлаждающей жидкости, спроектировать фундамент для рамы насоса и электропроводку к двигателю. Для этого создадим сборку, состоящую из насоса и «пустой подсборки» (или нескольких подсборок), в которой проектируется обвязка. В «пустой подсборке» создается каркасная модель, куда копируется геометрия, необходимая для проектирования обвязки, — присоединительные фланцы, штуцер подвода охлаждающей жидкости и т.д. Конструктор (или команда конструкторов) работает теперь только с выбранной геометрией (рис. 11). В дальнейшем геометрия из каркасной модели копируется уже непосредственно в проектируемые детали и узлы. Все входящие в сборку модели связаны ассоциативной связью, а это значит, что изменение присоединительных мест насоса повлечет за собой автоматическое изменение его обвязки.

Кроме копирования геометрии, проектируемые детали могут связываться с компоновкой подобно тому, как связывается каркасная модель с «записной книжкой инженера», — с помощью уравнений, устанавливающих взаимосвязь между размерами деталей и параметрами «записной книжки». Механизм ассоциативности здесь работает аналогичным образом — изменение управляющих параметров влечет за собой изменение связанных с компоновкой деталей сборки.

Внесение изменений в конструкцию

Продемонстрируем процесс внесения изменений при нисходящем проектировании на примере — увеличим высоту конструкции (см. рис. 4 а ) в разложенном состоянии, для чего в «записной книжке» изменим соответствующий параметр. После этого Pro/ENGINEER WILDFIRE автоматически просчитает все параметры, значения которых вычисляются с использованием уравнений, и выполнит проверку на корректность введенных значений в соответствии с заданными критериями. В нашем случае такая проверка показала, что высота увеличена слишком сильно и конструкция стала неустойчивой, а значит, необходимо увеличить и ее длину. На схеме (рис. 12) красным цветом показаны изменения, которые конструктор вносит вручную. После изменения параметров «записной книжки» каркасная модель обновляется автоматически (на рисунке показан новый каркас), а для обновления сборки достаточно выполнить команду «Перестроить» (Regenerate). Таким образом, изменение, внесенное конструктором на самом верхнем уровне — в «записной книжке инженера», повлекло за собой автоматические изменения на всех остальных уровнях — в сборке, в деталях, в чертежах.

Основные выводы

1. Применение нисходящего метода проектирования эффективно в том случае, когда нужно контролировать изменения взаимосвязанных параметров в различных компонентах сборки, а также при необходимости заранее (еще до разработки моделей деталей и сборочных единиц) определять их параметры.

2. Использование «записной книжки инженера» и каркасных моделей позволяет значительно сократить процесс внесения изменений в конструкцию за счет автоматического прохождения изменений по всем этапам не только конструкторской (модели, сборки, чертежи, спецификации), но и технологической (проектирование технологической оснастки, разработка управляющих программ) подготовки производства.

3. Нисходящий метод проектирования позволяет эффективно распараллелить работу над сборками между участниками процесса разработки, а при использовании в проектировании типовых конструкций заметно сократить сроки создания серии типоразмеров и вариантов исполнения изделий.

Эффективность использования нисходящего проектирования в Pro/ENGINEER WILDFIRE оценена по достоинству — этот метод активно применяют на многих российских предприятиях, о чем мы не раз рассказывали на страницах журнала, информируя читателей о результатах проектов, выполненных компанией SOLVER на отечественных машино- и приборостроительных предприятиях.

«САПР и графика» 11'2004