Объемные и комбинированные модели деталей в ADEM
Новейшая версия отечественной интегрированной CAD/CAM/CAPP-системы ADEM продолжает линейку продуктов для сквозной автоматизации. Предназначенная для конструкторов и технологов система имеет новые возможности во всех своих компонентах. В этой статье мы рассмотрим функциональность, направленную на объемное моделирование деталей.
Объемное моделирование деталей играет сегодня одну из ключевых ролей в процессе проектирования и подготовки производства. Если на начальных этапах разработки структуры изделия можно обходиться без четкой геометрии деталей, то на более поздних этапах, а тем более при подготовке производства все без исключения детали должны иметь точное представление.
О преимуществах плоского и объемного компьютерного моделирования по сравнению с традиционным чертежным представлением геометрической информации было написано уже довольно много. Назовем лишь главное преимущество — математическая модель, в отличие от чертежных видов, является объектом, однозначно определяющим геометрию.
Модель детали может быть использована в качестве:
• компонента объемной сборки (компоновки) для наглядного представления изделия;
• компонента объемной сборки для проверки возможных конфликтов собираемости, взаимных пересечений, соударений и т.п.;
• математической модели для расчетных алгоритмов и программ, например для получения массово-инерционных характеристик или для анализа прочности методом конечных элементов;
• основы для создания моделей сопрягаемых с ней деталей;
• основы для изготовления реальных деталей, например, на оборудовании с ЧПУ;
• эталона для контроля точности и качества.
Заметим, что в этом списке условия применяемости модели детали расположены по мере возрастания потребности в точности ее исполнения. Например, для наглядного представления точность исполнения модели может быть не выше разрешения экрана компьютера; при прочностном анализе в большинстве случаев локальные нюансы в виде фасок и скруглений не рассматриваются, а последние пункты требуют наивысшей степени детализации и точности исполнения модели.
Рис. 1. Модели различной степени детализации
Если сравнивать модели деталей по количеству составляющих элементов, то можно получить следующие соотношения для случая, представленного на рис. 1:
• модель на этапе эскизного проекта — 15 поверхностей;
• модель на этапе создания общих видов изделия — 60 поверхностей;
• модель после конструкторско-технологической проработки — 860 поверхностей.
Итак, окончательно модель детали формируется на этапе конструкторско-технологической подготовки производства. При этом объем геометрической информации, содержащейся в ней, возрастает в несколько десятков раз. Нередко окончательная геометрическая модель детали по объему данных превышает сборочные модели изделия в целом. Поэтому создание модели, пригодной для изготовления детали, — процесс значительно более трудоемкий, чем создание «условных» моделей для общих видов и сборок изделия. Более того, для конструкторско-технологического моделирования деталей необходим и специальный математический аппарат, который далеко не всегда присутствует в современных системах твердотельного моделирования. Покажем это на простом примере.
Рис. 2. Параметрическое (синий и красный) и непараметрическое (желтый) изменение модели
Допустим, есть деталь в виде куба, построенная на основе квадратного профиля (рис. 2). Благодаря дереву построений, которое в твердотельных системах обеспечивает регенерацию модели по измененным параметрам, можно производить следующее редактирование: изменять высоту куба и уклон, превращая куб в усеченную пирамиду (синий объект), изменять профиль и получать объекты иных форм (красный объект).
Но с помощью дерева построений мы не сможем получить из куба желтый объект, представленный на рис. 2, хотя он отличается от исходного положением всего одной вершины.
Этот пример показывает, что способ редактирования на основе дерева построений имеет ограничения и далеко не все изменения, которые конструкция проходит в процессе проработки, могут быть учтены в параметрической модели. А это значит, что для того, чтобы не перестраивать всю модель заново, требуется дополнительный математический аппарат, который основан на других принципах.
Теперь представим себе типичную ситуацию, когда исходная модель получена из другой системы. Опустим вопросы, связанные с конвертированием данных или с их прямым чтением. Скажем лишь, что сегодня не существует способов передачи дерева построений между системами. С чем это связано? Причин несколько, приведем лишь одну из них. Дело в том, что выполнение той или иной процедуры построения объемной модели является ноу-хау разработчиков, которые стараются обеспечить превосходство своей системы над другими. Поэтому системы от двух разных производителей, пусть даже основанные на одном математическом ядре, будут давать различный результат при выполнении даже одноименных операций. Две женщины не могут родить двух одинаковых детей — иными словами, возможность параметрического редактирования моделей из других систем отсутствует.
Рис. 3. Пример восстановления дерева построений
C начала 90-х годов многие коллективы работают над проблемой восстановления дерева построений на основе метода распознавания (Feature Recognition). Идея эта заключается в следующем. Импортированную геометрическую модель можно представить совокупностью твердотельных объектов и их взаимодействием (например, булевыми операциями объединения, дополнения и т.п.).
При всей красоте постановки данной задачи успехи в этой области довольно скромные. Причин как всегда множество. Первая из них связана с уже упоминавшимся различием в функциональности систем. Представим, например, что в системе A есть возможность построения тора, чего нет в системе B. В этом случае система B должна будет аппроксимировать этот объект другими своими примитивами, например цилиндрами. Скорее всего, такое распознавание не принесет никакой пользы для внесения изменений, поскольку для этого потребуется редактировать несколько сотен, а то и тысяч цилиндров. Пример этот, конечно, утрированный. Современные системы обычно представляют неизвестные объекты набором сплайновых поверхностей, но изменять диаметр тора редактированием сплайнов ничуть не проще.
Вторая причина состоит в неоднозначности решения, ведь один и тот же объект можно создать различными способами. Как найти вариант, который позволит пользователю наиболее просто вносить изменения в конструкцию? Чтобы выбрать стратегию распознавания, система должна иметь в качестве исходных данных информацию о том, что и как будет изменяться. Уже сама по себе такая постановка задачи не является тривиальной.
Эти две причины определяют тот факт, что результат распознавания всегда будет приближенным и вероятностным, что свойственно всем задачам восстановления информации и распознавания образов.
Каким же образом производить изменения, которые выходят за рамки параметрической модели, или в случае, когда параметрическая модель вообще отсутствует?
Обратим свой взор на плоские системы. Во всех наиболее популярных плоских системах дерево построения отсутствует, и при этом не возникает никаких трудностей при редактировании. Любой плоский объект может быть видоизменен с помощью операций разрезания, склейки, переноса узловых точек, вставки дополнительных узлов и т.п.
Аналогичный аппарат для трехмерного моделирования, основанный на работе с отдельными поверхностями, применялся во многих CAD-системах и в свое время являлся единственным способом создания и редактирования объемных моделей. С точки зрения пользователя, это универсальный, но довольно трудоемкий способ, требующий специальной подготовки и навыков.
В большинстве систем твердотельного моделирования на первых этапах этот аппарат был успешно забыт, поскольку с большим трудом вписывался в логику работы с деревом построений. Более того, некоторые лицензируемые математические ядра, на которых строятся системы, исключили даже доступ к объектам низкого уровня. Именно по этой причине твердотельные системы получили ограниченное распространение, например, в среде конструкторов-технологов, занимающихся разработкой сложной технологической оснастки, штампов, пресс-форм.
Рис. 4. Редактирование на основе автоматизированных процедур гибридного моделирования
Система ADEM является интегрированной CAD/CAM-системой, которая предназначена для автоматизации сквозного цикла конструкторско-технологической подготовки производства и программирования станков с ЧПУ. Идеология подобных систем направлена на поддержание всего жизненного цикла модели — от первичного облика до окончательного, полного геометрического представления. Поэтому система ADEM предоставляет пользователю весь возможный аппарат моделирования-редактирования: и дерево построений, и поверхностное моделирование, и другие уникальные способы.
Для поддержки гибридного моделирования разработчикам пришлось решить две большие задачи: создать единый фрейм для твердотельных и поверхностных методов и выполнить комплексную автоматизацию методов поверхностного моделирования.
Вторая задача нацелена прежде всего на упрощение работы пользователя с трудоемкими методами поверхностного моделирования. Например, чтобы произвести изменение модели (как показано на рис. 4) традиционными способами, на первом этапе нужно удалить сферическую поверхность и поверхности сопряжения, а также произвести затяжку образовавшегося отверстия поверхностью. В системе ADEM эта процедура автоматизирована и производится за одно действие.
Теперь о принципиально иных моделях, которые все чаще используются для подготовки производства. Речь идет об изделиях, описываемых так называемыми скульптурными поверхностями. В отличие от моделей, разработанных в CAD-системах, эти поверхности, как правило, получаются в результате объемного сканирования материальных изделий.
Современные системы объемного сканирования имеют на выходе файл в формате STL. Это не что иное, как триангулированное представление поверхности объекта. Чтобы обеспечить необходимую точность, сканирование производится с мелким шагом. Например, поверхность, показанная на рис. 5, состоит из 300 тыс. треугольных граней.
Рис. 5. Скульптурная поверхность
Рис. 6. Комбинированная модель в ADEM
В более ранних версиях система ADEM воспринимала STL-файл как обычное твердое тело, с которым можно было производить все возможные действия (скругления, булевы операции и т.п.). Очевидно, что с моделями, содержащими не одну тысячу граней, работать подобным образом немыслимо. Поэтому в ADEM был добавлен новый функционал для эффективной работы с подобными объектами, который позволяет производить вариативное и параметрическое редактирование. Данная работа велась и продолжает выполняться совместно со специалистами из Германии и Италии. Проект оказался довольно успешным и перспективным. Более подробно о нем мы расскажем в следующих номерах журнала.
Несколько слов о комбинированных моделях. В общем случае в системе ADEM модель может быть составлена из комбинации следующих типов моделей:
• плоской;
• объемной гибридной;
• скульптурной (объемной сканированной);
• растровой (плоской сканированной).
Все эти модели и их комбинации могут быть использованы для подготовки управляющих программ ЧПУ. Подобная комбинация позволяет гибко и кратчайшим путем вести технологическую подготовку производства. Приведем несколько примеров часто применяемых способов на основе гибридных моделей.
Для быстрого выделения зон обработки или запретных зон на объемной модели разумно применять плоские контуры. Нередко скульптурные поверхности дополняют твердотельными моделями и производят фрезерование по комбинированной модели. Для гравировки на объемных моделях в большинстве случаев удобно использовать сканированные изображения художественных элементов.
Иными словами, комбинированная модель в ADEM (рис. 6) позволяет применять ту технологию задания данных, которая наилучшим образом подходит для решения задачи.
