Автоматизация проектирования элементов дифракционной оптики на базе средств параметризации системы T-FLEX CAD
Заметное повышение качества проектирования любого изделия не может быть достигнуто простой заменой ручного черчения работой на электронном кульмане. Более того, возможные ошибки в различных деталях могут быть выявлены иногда только при сборке изделия. Это означает, что практически единственным средством проверки собираемости изделия (и, следовательно, взаимной проверки всех составных деталей) является построение трехмерной сборочной модели изделия в целом.
Следует отметить, что при проектировании реального изделия необходимо обеспечить работу с единой информационной моделью для разработчика, конструктора, технолога. Такой подход позволит исключить взаимные ошибки, откроет оперативный доступ к документации для всех участников процесса проектирования.
Повышение качества конструкторской и технологической документации, снижение конструкторских и технологических ошибок на этапе проектирования, а также улучшение потребительских свойств проектируемого изделия обеспечивают заметную экономическую эффективность использования CAD/CAM-систем.
В качестве примера влияния потребительских свойств на разработку облика изделия можно привести конструирование дифракционной антенны, когда учет потребительских характеристик в виде системы автоматического антиобледенения привел к изменению структуры зон на поверхности антенны, к их сегментации и использованию в качестве ленточных нагревателей.
В настоящее время довольно развитой является российская система T-FLEX CAD — полностью параметрическая система, которая разрабатывалась для решения задач параметрического проектирования. Выбор в пользу указанной системы обусловлен тем, что применение параметризации в других САПР (в том числе в Autodesk Mechanical Desktop, Autodesk Inventor, SolidWorks, Solid Edge) является ограниченным. Это связано с тем, что практически во всех системах используется параметрическая подсистема фирмы D-CUBED, построенная на размерной параметризации: сначала создается какое-либо изображение, а затем проставляются все необходимые размеры и при условии достаточности проставленных размеров в результате получается параметрическая модель.
В T-FLEX CAD используется геометрическая параметризация: создание параметрических сборочных чертежей в этой системе сводится к соединению деталей друг с другом. Каждый чертеж содержит определенные параметры, и при компоновке нескольких чертежей необходимо только связать параметры разных чертежей между собой.
Данная система предоставляет проектировщику полный набор средств для создания и оформления конструкторско-технологической документации в полном соответствии с ЕСКД и международными стандартами. Визуализация трехмерных объектов в T-FLEX CAD 3D осуществляется с применением библиотеки Open Inventor, разработанной компанией Silicon Graphics и распространяемой фирмой TGS.
Параметрическая модель дифракционной антенны
Приведем конкретный пример — разработку системы проектирования дифракционной оптики миллиметрового диапазона на базе версии T-FLEX CAD 3D 7.2, использующей геометрическое ядро Parasolid v.14 фирмы EDS.
С точки зрения проектировщика, дифракционная антенна представляет собой «сандвич» из чередующихся диэлектрических слоев одинаковой толщины и металлических эллиптических колец различной ширины. Ширина металлических колец и их расположение определяются требуемыми параметрами антенны: ее диаметром, положением фокуса и числом уровней квантования фазы. Следовательно, можно выделить как минимум два независимых геометрических объекта: эллиптические металлические зоны и слой диэлектрика.
В принципе, редактирование и изменение параметров антенны возможно непосредственно в редакторе переменных средствами T-FLEX CAD, однако это создает определенные неудобства для пользователя и требует достаточно глубоких знаний среды программирования. В качестве примера на рис. 1 показан фрагмент изменения данных в редакторе переменных.
Создание параметрической конструкции фактически означает создание алгоритма, который должен обеспечивать синтез конструкции из отдельных геометрических элементов (метод твердотельного моделирования), предусматривать возможности модификации конструкции в заданном диапазоне, отражать определенную технологию изготовления конструкции.
Выбор переменных, доступных пользователю для редактирования
Обычно выделяют два типа переменных: системные и открытые для редактирования. Системные — это переменные, необходимые для правильного функционирования модели чертежа-прототипа и не предназначенные для редактирования пользователем. Открытые для редактирования — тип переменных, необходимых для правильного функционирования модели чертежа-прототипа. Эти переменные создаются специально в расчете на изменение их значения пользователем с целью задания необходимых параметров антенн.
В нашем случае системными являются переменные: текущий номер зоны, текущий номер подзоны и толщина диэлектрика. Остальные переменные задаются положением металлического кольца, то есть определяются в процессе разработки и не предназначены для редактирования пользователем, так как их изменение нарушит работоспособность модели.
Доступными пользователю для редактирования являются переменные, отвечающие за потребительские параметры антенн, то есть за количество уровней квантования фазы, внешние габариты и форму антенн (полуоси а и b для эллипса и размер сторон ромба), угол падения излучения, толщину металлических колец, фокусное расстояние и длину волны излучения. Все эти переменные отражены в диалоге.
Внешняя форма антенны — эллипс, ромб с произвольным соотношением сторон (полуосей) — определяет дизайн изделия.
Интерфейс диалога пользователя
Работа системы автоматизированного проектирования дифракционных антенн происходит в диалоговом режиме. Для выполнения диалогом своих функций его интерфейс должен быть интуитивно понятным, отображающим всю необходимую информацию для ввода требуемых параметров и в то же время не перегруженным. В нашем случае пользователь задает параметры антенны (форму, количество уровней квантования фазы, тип антенны, тип диэлектрика и т.п.). По указанным данным автоматически генерируется чертеж антенны. Для этого в базу данных системы заложены такие параметры, как, например, свойства диэлектрических материалов (тип диэлектрика, показатели преломления и поглощения в СВЧ-диапазоне), толщина скин-слоя нескольких типов металлов и т.п.
Исходя из этих требований в описываемой версии программы принят следующий вид диалога пользователя: задаются форма антенны, ее параметры и материал (рис. 2, 3).
При выборе типа диэлектрика в программу автоматически передаются такие его характеристики, как величины диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь на выбранной длине волны. База данных материалов является пополняемой.
Аналогичным образом была построена параметрическая система проектирования элементов дифракционной оптики линзового и зеркального типов из искусственного перфорированного диэлектрика. Отличия линзового элемента от зеркального состояли в том, что у зеркального элемента имелся отражающий экран, а толщина диэлектрического материала была меньше.
Пользователь при работе с системой имеет возможность в диалоге указывать соответствующий тип дифракционного элемента. Фрагмент такого меню приведен на рис. 4, а пример параметрического чертежа одной зоны — на рис. 5.
Таким образом, на основе разработки дифракционных линз и антенн были построены комплексы параметрических моделей (параметризация ведется системой автоматически) чертежей. Достоинствами такого способа проектирования являются высокая скорость генерации чертежей, возможность использования построенной модели на уровне прикладной программы, применение пользователем, не имеющим навыков проектирования, плоских дифракционных линз и антенн. В данном примере разработки интегрированного комплекса для параметрического моделирования дифракционных линз и антенн, по сути дела, речь идет о прототипе объектно-ориентированной среды для решения проектных задач в соответствующей области. Это можно рассматривать как вариант технологии виртуального моделирования, то есть процесса создания электронной модели объекта, предназначенного для последующего производства, всесторонней оценки модели на основе виртуального прототипа (в частности, свойств эргономики, безопасности, функциональности, технологичности и т.д.), оптимизации технологических процессов его производства. Только после получения удовлетворительных результатов принимается решение об изготовлении физического объекта.
