Трансляция и обеспечение качества 3D-моделей с помощью программного комплекса 3DTransVidia

Илья Матвеев, Владимир Казанцев

Конструкторы и разработчики новой техники достигли больших успехов в плане повышения скорости проектирования и качества выпускаемой продукции. Во многом этому способствует использование современных компьютерных технологий проектирования и подготовки производства. Конструкторско-технологическая информация, представленная в электронном виде, оптимизирует условия хранения и копирования информации и обмена ею как внутри компании, так и между предприятиями. Вследствие этого время подготовки и передачи пакета конструкторской документации субподрядчику сократилось от нескольких недель и даже месяцев до нескольких дней. При таких темпах большое значение имеет быстрая и качественная обработка полученной информации для ее запуска в производственный процесс, поэтому потеря нескольких дней по причине повторной пересылки или из-за исправления поврежденной при импорте 3D-модели грозит срывом сроков работ. К сожалению, такие ситуации нередки, поскольку даже внутри одного предприятия обычно применяются разные CAD-системы. Хотя все CAD-системы содержат трансляторы нейтральных форматов файлов обмена данными (IGES, STEP), а многие включают в базовую комплектацию трансляторы собственных форматов файлов популярных систем (Unigraphics, CATIA, SolidWorks, Inventor), далеко не всегда удается быстро и качественно осуществить корректный обмен данными. Причиной этого может быть и несоблюдение стандарта нейтрального формата, и различия в концепции представления данных модели в разных ядрах (Parasolid, ACIS, CATIA) CAD-систем, и некорректные действия пользователя при проектировании модели. В данной статье мы представим один из инструментов для решения вопросов совместимости различных CAD-представлений и обеспечения качества 3D-моделей — это программный комплекс 3DTransVidia, который объединяет процессы чтения, диагностики и исправления ошибок, визуализации и проверки качества 3D-моделей разных форматов и поддерживает собственные и нейтральные форматы данных 3D-модели (рис. 1).

Рис. 1. Форматы файлов 3DTransVidia

Трехмерная электронная модель может быть представлена в трех видах: как облако точек с известными координатами каждой точки, как поверхностная сетка треугольников (например, в формате STL) и, наконец, в параметрическом виде, когда объект задан параметрическими поверхностями и кривыми. 3DTransVidia обеспечивает совместимость различных представлений модели. Известно, что у каждой CAD-системы есть особые требования к представлению 3D-модели, а список этих требований во многом определяется спецификой ядер CAD-систем и имеет существенные различия при переходе от одного представления к другому. К примеру, у SolidWorks имеется требование гладкости и непрерывности для кривых и поверхностей, в CATIA v4 нет специальных требований к кривым и поверхностям, а CATIA v5, напротив, предъявляет повышенные требования к гладкости и непрерывности кривых и поверхностей. 3DTransVidia отслеживает подобные требования и позволяет выполнить переход от параметрического представления к сетке, от облака точек к сетке, от сетки к параметрическому представлению без деформаций и потерь качества модели (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Переход от облака точек к сетке

Рис. 3. Переход от сетки к параметрическому представлению модели

Трехмерная модель изделия при обработке в 3DTransVidia проходит несколько основных этапов: трансляция модели, диагностика и исправление найденных ошибок, улучшение качества модели, обеспечение совместимости представлений и выбор представления модели.

При трансляции модели в 3DTransVidia происходит конвертация всех элементов модели из одного формата в другой. Так, при переходе из формата IGES в формат CATIA v5 нет точного соответствия поверхности вращения (SOR) модели IGES в модели CATIA, поэтому для обеспечения передачи необходимо провести преобразование SOR в конус или в один из примитивов CATIA. В связи с этим проводится согласование базовых принципов моделирования трехмерной модели, которые имеют различия в каждом CAD-ядре. Например, на ядре Parasolid строится толерантная модель, модели 5-й версии CATIA имеют фиксированную точность, а у 4-й версии модели строятся в относительной точности.

После диагностики ошибок происходит исправление геометрии модели, для чего у 3DTransVidia предусмотрены средства автоматического и ручного исправления (рис. 4).

Рис. 4. Схема исправления модели

Рис. 5. Ошибки, исправляемые автоматически

Во время чтения файла в автоматическом режиме исправляются ошибки, которые допускают однозначную трактовку проблемы (рис. 5). Подобным образом исправляется около 60 типов ошибок геометрии и топологии. Исправление выполняется с точностью, определенной пользователем, и не приводит к деформации модели.

Для решения более сложных проблем, которые допускают множество решений или могут приводить к деформации модели, пользователь самостоятельно определяет оптимальный способ решения, используя инструменты ручного исправления. В 3DTransVidia формируется дерево проблем, отображающее все найденные ошибки в модели. Они объединены по категориям и характеризуются собственными параметрами (рис. 6). Такими ошибками в параметрической модели могут быть зазоры, перекрытия, Т-образные соединения, уступы, открытые контуры, необрезанные грани и т.д., а в сеточной модели — зазоры, перекрытия, открытые ребра или открытые контуры.

Рис. 6. Диагностика проблем

При выделении ошибки в дереве проблемное место подсвечивается в правой части окна (в области пространственного отображения модели) другим цветом, а при двойном щелчке оно приближается на экране к пользователю. При этом 3DTransVidia предлагает пользователю соответствующий инструментарий для исправления выбранной ошибки (рис. 7), а после исправления эта ошибка исчезает из дерева проблем.

Для исправления модели в ручном режиме 3DTransVidia располагает целым арсеналом различных операций. Например, для таких элементов модели, как ребро или кривая, имеются операции создания, модификации, разбиения и объединения , а для грани или поверхности — создание, улучшение качества, обрезка и объединение. Предусмотрены инструменты и для построения вспомогательной геометрии и простановки размеров модели, построения сечений и т.д. На рис. 8-12 представлены примеры использования операций ручного исправления модели.

Рис. 7. Диагностика и исправление ошибок в модели

Рис. 8. Ручное исправление модели: создание ребра

Рис. 9. Ручное исправление модели: создание поверхности

Рис. 10. Ручное исправление модели: объединение поверхностей

Рис. 11. Ручное исправление модели: обрезка грани

3DTransVidia решает и такие вопросы, связанные с нарушением топологии в модели, как определение соседних граней, согласование ориентации граней, устранение зазоров или перекрытий, формирование оболочек и их ориентация, формирование твердых тел. Нарушения топологии могут возникать из-за разных подходов CAD-систем к точности моделирования. Так, при точном моделировании величина зазора между геометрическими элементами является жестко фиксированной целиком для всей модели, например в CATIA v5. У модели, построенной по принципу толерантного моделирования, величина зазора может варьироваться, в частности в SolidWorks и Solid Edge. На рис. 13 показан один из примеров восстановления нарушенной топологии. После загрузки формата IGES модель представляет собой набор независимых граней. Операция сшивки восстанавливает топологию, и независимые грани образуют 17 твердых тел.

Рис. 12. Ручное исправление модели: построение сечений

Рис. 13. Восстановление топологии операцией сшивки

Рис. 14. Улучшение качества модели: из CATIA v4 в CATIA v5

Большой практический интерес представляют возможности 3DTransVidia по улучшению качества 3D-модели. Для примера рассмотрим трансляцию 3D-модели, созданной в CATIA, из 4-й в 5-ю версию. На рис. 14 показан результат прямой трансляции 3D-модели в CATIA v5: модель имеет 470 граней, а после улучшения качества с помощью 3DTransVidia — 275 граней.

Другой пример улучшения качества рассмотрим на примере перехода из формата IGES в SolidWorks. Оригинальная модель имеет всего 33 грани (рис. 15), а при передаче в SolidWorks количество граней увеличилось до 127. Для кого-то это может показаться незначительным — всего лишь чуть большая загрузка системы, однако такие изменения в конечном счете могут привести к более серьезным последствиям, например к затруднениям при проведении булевых или офсетных операций над моделью.

Рис. 15. Улучшение качества модели: из IGES в SolidWorks

Рис.16. Улучшение качества модели: из IGES в SolidWorks

Рис. 17. Улучшение качества модели средствами FormatWorks

Одним из таких негативных последствий может быть, например, прямая потеря качества детали, полученной фрезерованием (рис. 16), при трансляции из IGES в SolidWorks, а из него в CAM (SolidCAM). В данном примере транслятор формата IGES в системе SolidWorks вызвал недопустимые изменения 3D-модели — образование дефекта в виде волн, не поддающегося исправлению средствами SolidWorks. Исправить ситуацию удалось только с использованием FormatWorks — программного модуля, созданного на базе технологии 3D TransVidia в рамках партнерской программы SolidWorks и предназначенного для диагностики и исправления импортированной модели в среде SolidWorks. После автоматического исправления модели средствами FormatWorks указанный дефект исчез (рис. 17).

Рис. 18. Улучшение качества сеточной модели

Результаты использования сеточных моделей в значительной мере зависят от качества самой сетки. В целях улучшения качества 3DTransVidia может упростить сеточную модель. Так, на рис. 18 представлена модель самолета, состоящая из 45 104 треугольников, у которой после упрощения осталось 22 550 треугольников.

Рис. 19. Улучшение качества сеточной модели путем ее сглаживания

Кроме того, 3DTransVidia может улучшить качество определенной области модели, не затрагивая всю модель целиком. На рис. 19 исходная сетка имеет дефект в виде мелких неровностей, а за счет локального применения операции сглаживания эти неровности были устранены.

Посредством 3DTransVidia могут решаться и специфические задачи. В частности, компанией Audi была поставлена задача построения офсета на расстоянии до 100 мм от исходной поверхности боковины автомобиля. Дополнительно предъявлялись и такие требования, как корректность модели в CATIA v4 и v5 и сохранение структуры и атрибутов. Поставленная задача была успешно решена (рис. 20).

Рис. 20. Построение офсета

В компании «ТЕСИС» функционирует центр технической поддержки программных продуктов CAD/CAM/CAE, где работают специалисты с высокой научной и технической квалификацией и многолетним опытом работы в таких областях САПР, как методы математического моделирования, инженерные расчеты и информационные технологии. Пользователи программного обеспечения CAD/CAM/CAE, заинтересованные в решении вопросов трансляции и обеспечения качества 3D-моделей, могут ознакомиться с программным комплексом 3DTransVidia в офисе компании «ТЕСИС».

САПР и графика 11`2005