Концептуальный дизайн — первый шаг к новому изделию! Часть 4

Александр Лягушкин

Эта публикация продолжает серию статей о конструкторско-дизайнерских работах в программных продуктах, поставляемых отделением RAND Worldwide в СНГ.

В первых трех статьях (см. «САПР и графика» № 7, 9 и 11’2003) мы рассказали о первом этапе создания изделия — этапе концептуального дизайна и рассмотрели некоторые особенности программного продукта фирмы РТС — Pro/CONCEPT, который может быть использован в качестве инструмента для проработки концептуального дизайна изделия.

А теперь выясним, что следует делать дальше с тем превосходным объектом, который был создан дизайнером, умело раскрашен и, наконец, утвержден высоким начальством. Если вы помните, Pro/CONCEPT — это полигональный моделлер, поэтому можем предложить три варианта:

1. Забыть все, что сделал дизайнер, сказать ему большое спасибо и посадить конструктора-проектировщика с линейкой и распечатанной картинкой дизайнера за «воссоздание геометрии». Конструктор с помощью какой-либо CAD-системы начинает с помощью линейки строить поверхности на основе трех проекций модели, созданной дизайнером. Кроме того, модель дизайнера можно воспроизвести в объеме при помощи 3D-принтера или установки для стереолитографии. Тогда конструктор сможет поменять линейку на штангенциркуль. Но неоптимальность такого метода очевидна, поскольку размеры, «сколотые с чертежа» или снятые с ошкуренной и покрашенной литографической модели, будут отличаться от размеров оригинальной модели, созданной дизайнером. К тому же конструктор, как правило, работает в рамках удобных для него методов и приемов проектирования, поэтому ваша модель, вполне вероятно, будет состоять из плоских граней с редкими вкраплениями радиусных скруглений и фасок. Дело в том, что конструктор вправе все сомнения в геометрии изделия трактовать «в свою пользу», а на линейке где миллиметр, там и два — вот и эллипс превращается в… радиус. О конструкторской интерпретации сложных «органических» поверхностей двойной кривизны здесь говорить вообще не приходится.

Правда, необходимо отметить, что существует еще один способ измерения объекта. Это сканирование на 3D-сканере (контрольно-измерительной машине) модели, «выращенной» на стереолитографической установке, и построение поверхностей по облаку точек. Необходимо отметить, что поверхности, полученные при таком способе воссоздания геометрии, являются достаточно точными. Однако давайте сначала выясним, что же мы построили и что лежало в основе точного «воссоздания формы объекта»? Увы, не математическая модель, а реальный объект — созданный, а затем ошкуренный и покрашенный с допусками. В некоторых случаях такой метод вполне оправдан, однако не понятно вот что: если есть модель, то зачем промежуточные этапы, к тому же вносящие неточности в геометрию?

2. Самый простой и разумный способ (если его, конечно, можно применить) — выполнять механообработку готового изделия сразу по полигональной модели. Есть такие программные продукты (к ним относится и анонсируемый Pro/ENGINEER версии Wildfire 2.0), которые могут рассчитывать траекторию движения инструмента, исходя из полигональной геометрии обрабатываемой детали. Этот вопрос мы в данной статье обсуждать не будем, поскольку он находится в компетенции специалистов по механообработке, а только отметим, что вопросы всякого рода художественных гравировок и барельефов теперь решаются достаточно просто комплексом Pro/CONCEPT плюс Pro/ENGINEER версии Wildfire 2.0. Достаточно воспользоваться функцией Displace в Pro/CONCEPT, получить деформированную в соответствии с наложенной картинкой полигональную модель барельефа и передать ее на обработку в Pro/ENGINEER.

3. Третий способ, о котором и пойдет речь в данной статье, предусматривает воссоздание поверхностной геометрии по полигональной модели, но без измерения вручную картинки, как в п. 1, а при помощи специализированных инструментов и методов, находящихся в распоряжении пользователя современной CAD-системы. Рассмотрим типовой процесс обработки полигональной модели в модуле Restyle программного продукта фирмы РТС — пакета Pro/ENGINEER.

Нужно отметить, что такой модуль появился в Pro/ENGINEER недавно — с выходом версии Wildfire, а в основе его лежат технологии компании Raindrop Geomatic.

В общем случае работа с полигональной моделью может быть разбита на два основных этапа, первый из которых — импорт и редактирование полигональной модели, а второй — построение поверхностей или кривых по граням (или точкам) полигональной модели.

Рассмотрим немного подробнее первый этап. После импорта полигональной модели (например, в формате STL, Wavefront-OBJ или VRML-WRL) конструктор может с помощью большого количества инструментов доработать импортированную полигональную модель. Подчеркнем, что именно доработать, а не создать заново. Средства по полигональному моделированию (как было, например, в Pro/CONCEPT) отсутствуют, зато пользователь может отредактировать локальные места модели, заполнить отверстия, увеличить или уменьшить число полигонов в выбранной зоне на модели. Как и в программе Pro/CONCEPT, в Pro/ENGINEER предусмотрены возможности по редактированию всей сетки полигонов, то есть операции Refine и Decimate. Кроме того, добавлены некоторые операции редактирования сетки, такие как оптимизация сетки (Clean) и сглаживание резких переходов граней (Relax).

Имеются также возможности редактирования непосредственно граней модели, разделения кромок (Split Edge), добавления граней (Add Facet) и заполнения отверстий (Fill Hole). Нужно отметить, что модуль позволяет создавать комплексную полигональную модель, последовательно добавляя полигональные фичеры друг к другу (Insert/Facet Feature).

Перейдем ко второму этапу воссоздания геометрии. Итак, полигональная модель уже импортирована в Pro/ENGINEER и имеет оптимальную форму. Что делать дальше? Известно, что, будучи на самом деле гранеными, визуально полигональные модели выглядят гладкими благодаря работе специальных алгоритмов рендеринга, которые создают иллюзию гладкого объекта с плавными переходами между участками модели. Человеческий глаз обмануть легко, а вот инструмент — невозможно. Так же невозможно, как и вести механообработку на станке с ЧПУ по поверхности «иллюзии». Правда, здесь следует оговориться. Как мы уже упоминали, в некоторых программах генерации траектории инструмента есть возможность гладко обрабатывать полигональные модели (как, например, анонсируется в Pro/ENGINEER Wildfire 2.0), но в этом случае в модуль генерации включены алгоритмы, аппроксимирующие совокупность граней и динамически рассчитывающие точки объекта, причем не только в вершинах граней, но и над/под гранями. Расчет идет с учетом локальных критериев гладкости, что в некоторых случаях вполне оправданно — особенно при обработке сложных художественных барельефов, где микронная точность не очень важна, а трудозатраты на поверхностное моделирование достаточно высоки.

Итак, что нужно сделать, чтобы из «среднеинформативной» полигональной модели (в которой только вершины полигонов математически определены) получить поверхностную модель, в которой мы будем достоверно знать положение любой точки и где сопряжения поверхностей подчиняются точным математическим законам плавности?

Ответ прост — нужно создать поверхность. Для этих целей в состав Pro/ENGINEER был включен модуль Restyle. В данном модуле предусмотрены средства создания кривых, которые могут базироваться на полигональной геометрии. Кривые можно проводить по точкам, по полигонам, по сечениям, получать из границ уже созданных кусков поверхностей и т.п. Понятно, что создаваемые кривые представляют собой гладкие сплайны (рис. 1, кадр 1). Ну уж если у вас есть набор гладких кривых, то создать по ним поверхность, как говорится, «дело техники» (рис. 1, кадр 2). И здесь следует отметить, что, в отличие от стандартного поверхностного моделлера Pro/ENGINEER и даже модуля создания стилевых поверхностей ISDX (о нем мы расскажем в следующей статье), возможности построения поверхностей в модуле Restyle заметно расширены.

Рис. 1. Последовательность создания поверхности на полигональной модели

Рис. 2. Редактирование свойств проецируемой поверхности

Например, в распоряжение пользователя предоставляется несколько стандартных типов аналитических поверхностей — плоскость, цилиндр, конус, поверхность вращения и др., а также такие способы построения полиномиальных поверхностей, как:

• построение по четырем точкам, указанным на полигональной модели;

• построение четырехсторонней поверхности по двум граничным кривым;

• построение четырехсторонней поверхности по трем граничным кривым;

• построение четырехсторонней поверхности по четырем граничным кривым;

• лофт по нескольким кривым.

Построенные поверхности проходят через кривые, лежащие на вершинах или гранях полигонов, а это значит, что по крайней мере по границам воссоздаваемая поверхностная модель будет совпадать (с заданной степенью точности, конечно) с полигональной моделью. А что будет происходить в середине построенной поверхности? Поскольку алгоритм построения поверхности подразумевает ее построение с минимальной кривизной, середина созданной поверхности с большой степенью вероятности будет отстоять от полигональной модели (рис. 1, кадр 2). Для того чтобы быстро придать поверхности форму, соответствующую модели, можно воспользоваться функцией Projection (рис. 1, кадр 3). В зависимости от свойств полиномиальной поверхности (задаваемой в отдельном окне интерфейса) можно добиться различных степеней совпадения создаваемой поверхности и исходной формы полигональной модели. Следует только иметь в виду, что чем чаще сетка параметрических U- и V-линий проецируемой поверхности, тем менее гладкой она может получиться. На рис. 2 показана последовательность действий по более точному «наложению» создаваемой поверхности на полигональную модель. Это решается изменением числа параметрических линий поверхности и более точным проецированием сетки поверхности на полигональную модель.

Рис. 3. Твердотельная (тонкостенная) модель, готовая к передаче на последующие этапы цепочки непрерывного процесса проектирования

На рис. 3 показана твердотельная (тонкостенная) модель, готовая к передаче на последующие этапы цепочки непрерывного процесса проектирования, такие как проектирование пресс-форм, ЧПУ-обработка и т.п.

Благодаря наличию столь мощного инструмента, как Reverse Engineering, в составе Pro/ENGINEER осуществляется взаимосвязь действий дизайнера и конструктора и еще больше расширяется область применения Pro/ENGINEER.

В данной статье мы рассмотрели функциональность модуля Reverse Engineering применительно к непрерывной технологической цепочке создания изделия — от дизайнерской идеи до ее воплощения в твердотельной CAD-модели. Однако имейте в виду, что область применения Reverse Engineering гораздо шире, чем создание простой «связки» между моделью дизайнера и моделью конструктора. Данный модуль реализует так называемую идеологию проектирования снизу вверх, когда геометрия объекта воссоздается по ее косвенным данным. Такой метод просто необходим при производстве изделий, нуждающихся в «индивидуальной подгонке» (например, в сфере медицины, при протезировании, при создании специального снаряжения).

Итак, мы рассказали о работе модуля Reverse Engineering, позволяющего импортировать полигональную модель, быстро редактировать ее форму и строить качественную поверхностную модель на ее основе. Все эти операции реализуются в простом и понятном интерфейсе Pro/ENGINEER; набор операций достаточен для выполнения сложных работ, но не перегружен функциями. Все это делает модуль Reverse Engineering очень ценным инструментом для конструкторских подразделений предприятий, работающих в непрерывной технологической цепочке проектирования изделия, а также предприятий, работающих с разнообразными сканированными данными (в том числе в сфере медицины и протезирования).

В следующей статье мы рассмотрим возможности моделирования сложных стилевых поверхностей в модуле промышленного дизайна (ISDX) пакета Pro/ENGINEER.

«САПР и графика» 1'2004