10 - 2006

Дизайн и проектирование: cуществует ли единая среда 3D-моделирования?

Артем Аведьян

Карандаш, пластилин и компьютер

SolidWorks — единое решение для конструктора и дизайнера

От концептуального дизайна — к детальному проекту

От конструкции — к форме

Гибридное параметрическое моделирование

Взаимодействие SolidWorks с дизайнерскими пакетами

SolidWorks, 3D-сканирование и 3D Studio

SolidWorks и Rhino

Профессиональный 3D-рендеринг

Заключение

Продолжаем серию публикаций, посвященных техническим аспектам применения современных компьютерных технологий для автоматизации различных этапов жизненного цикла изделий. В настоящей статье будет рассмотрен вопрос использования САПР SolidWorks при решении дизайнерских и проектных задач на этапе формирования облика нового изделия. Подобная тема выбрана не случайно, так как создание любого геометрического объекта — это в первую очередь работа над формой, которая должна быть функциональной и одновременно с этим — выразительной, гармоничной. Поэтому правильный выбор средств автоматизации труда конструкторов и дизайнеров — вопрос основополагающий.

Карандаш, пластилин и компьютер

XX век ознаменовался бурным развитием дизайнерской мысли, которая получила яркое воплощение в автомобилестроении, авиации и, конечно же, — в производстве товаров народного потребления. До появления компьютера неотъемлемой атрибутикой и основными рабочими инструментами дизайнера были карандаш, рулоны бумаги, гипс, пластилин и другие материалы, позволявшие быстро и наглядно интерпретировать дизайнерские мысли в доступном для понимания виде. Эти средства наглядного отображения успешно использовались в процессе последующей конструкторской проработки изделий (кальки, кульман и неизменные карандаш с ластиком) и получали воплощение в инженерных чертежах, которые, в свою очередь, ложились в основу подготовки производственного процесса. Единообразие рабочих инструментов конструктора и дизайнера позволяло использовать дизайн-эскизы для первичных чертежных построений и, таким образом, как бы отталкиваться от концептуальных идей в направлении проектирования конструкции будущего изделия.

Ситуация изменилась с появлением средств автоматизированного построения чертежей и графических пакетов для дизайнеров. Бурное развитие персональных компьютеров обусловило быстрый рост систем компьютерного проектирования, причем основным направлением стала разработка программ, нацеленных на трехмерное геометрическое моделирование, и эта тенденция сохраняется до сих пор. Менее чем за 20 лет кардинальным образом поменялся инструментарий как конструктора, так и дизайнера. Однако, несмотря на очевидный прогресс в развитии технологий проектирования и дизайна, многообразие предлагаемых программных решений и имеющиеся в каждом из пакетов функциональные ограничения (обусловленные спецификой их предметной области) требуют от конечного пользователя серьезного внимания при выборе той или иной системы. Конструктор и дизайнер пересели за компьютер, но в большинстве случаев используют разные программы, подчас несовместимые между собой, в чем и заключается весь парадокс.

Какое же решение окажется более эффективным? Что позволит сэкономить время и сократить трудозатраты во взаимодействии конструктора и дизайнера: улучшение форматов обмена данными или единая среда 3D-моделирования? Оба варианта имеют свои плюсы, однако посмотрим, что предлагает конструкторам и дизайнерам система SolidWorks…

Рис. 1. Изделия, спроектированные в SolidWorks (фото с выставки SolidWorks World 2006)  Рис. 1. Изделия, спроектированные в SolidWorks (фото с выставки SolidWorks World 2006)

Рис. 1. Изделия, спроектированные в SolidWorks (фото с выставки SolidWorks World 2006)

В начало В начало

SolidWorks — единое решение для конструктора и дизайнера

Только с появлением современных средств трехмерного параметрического моделирования возникли реальные предпосылки для построения единой интегрированной системы, в которой могли бы полноценно работать как конструктор, так и дизайнер. САПР SolidWorks предлагает пользователю полноценные инструменты для гибридного параметрического моделирования, которые в сочетании с удобным пользовательским интерфейсом делают работу в системе творческим занятием. В SolidWorks одинаково удачно реализованы инструменты и конструктора, и дизайнера. Объемные построения можно выполнять самыми разными способами, сочетая твердотельное и поверхностное моделирование, указывая точные размеры или изменяя форму объектов на глаз. Убедительным примером могут послужить изделия, спроектированные в САПР SolidWorks, которые были представлены на выставке SolidWorks World в Лас-Вегасе (США) в январе текущего года (рис. 1).

Используя САПР SolidWorks, конструктор и дизайнер не тратят время на поиск каких-то сложных системных команд, а имеют полную возможность сосредоточиться непосредственно на решаемой задаче, поэтому работают более эффективно. И самое главное: конструктор может использовать модель, созданную дизайнером, для проектирования изделия, причем с сохранением ассоциативной связи, обеспечивающей обновление каждой из моделей при внесении изменений в конструкцию. Рассмотрим более подробно различные варианты совместной  работы дизайнера и конструктора в SolidWorks.

В начало В начало

От концептуального дизайна — к детальному проекту

Каждый дизайнер придерживается собственных правил и традиций: новое поколение предпочитает сразу воплощать свои мысли в виде двумерных или трехмерных электронных моделей, дизайнеры со стажем предварительно набрасывают эскиз на бумаге или лепят модель из пластилина. Однако и тем и другим необходимо донести необходимую информацию до конструктора, чтобы можно было перейти от концептуального дизайна к детальному проекту. В этом процессе дизайнерам, безусловно, поможет SolidWorks.

Рассмотрим классический случай: дизайн-эскиз нарисован на бумаге и отсканирован (получено растровое изображение). В этом случае SolidWorks позволяет использовать растровые изображения в качестве фона графического окна либо в двумерных эскизах, произвольно сориентированных в пространстве. Поддерживаются форматы BMP, GIF, JPG, TIF, WMF. Картинку можно свободно перемещать в плоскости эскиза, указывая смещение по осям X и Y, поворачивать относительно начала координат, масштабировать, отражать относительно горизонтали или вертикали.

Отсканированные изображения можно поместить в эскизы, расположенные во фронтальной, горизонтальной и вертикальной плоскостях, после чего должным образом спозиционировать относительно базовой системы координат и отмасштабировать друг относительно друга (рис. 2а). Теперь можно приступить к построению 3D-модели, для чего предварительно потребуется создать несколько вспомогательных эскизов, причем в процессе построения отдельных линий следует рисовать их в соответствии с растровым изображением. После этого достаточно применить одну из 3D-операций (например, тело по сечениям или сечение вдоль образующей с несколькими направляющими кривыми) — и заготовка для внешней формы будущего изделия готова (рис. 2б).

Рис. 2. От концептуального дизайна — к детальному проекту

Рис. 2. От концептуального дизайна — к детальному проекту

Доработав полученную заготовку с помощью дополнительных 3D-операций (деформирование, скругление, сглаживание и т.п.) и расчленив ее на отдельные детали, можно приступать к конструктивной проработке каждой детали или узла в контексте сборки. В итоге будет получено конечное изделие, ассоциативно связанное с дизайнерской 3D-заготовкой, которая, в свою очередь, создавалась по нарисованным вручную эскизам (рис. 2в, г). Для полноты картины можно присвоить каждой из деталей свой материал (текстуру), выбрав его из встроенной в SolidWorks библиотеки материалов либо воспользовавшихся профессиональным средством 3D-рендеринга — PhotoWorks (подробнее об этом мы расскажем в последней главе этой статьи), который поставляется в составе пакета SolidWorks Professional, и получить фотореалистичное изображение изделия (рис. 3).

Рис. 3. Фотореалистичное изображение изделия.

Рис. 3. Фотореалистичное изображение изделия.

В начало В начало

От конструкции — к форме

При проектировании большинства потребительских товаров наряду с уникальными деталями используются покупные изделия или стандартизованные узлы, характеристики которых (в том числе и габаритные размеры) четко регламентированы и должны быть обязательно учтены при разработке корпусных деталей. Кроме того, в большинстве случаев внешние формы изделия должны соответствовать электромеханической начинке. В связи с этим, прежде чем приступать к созданию лицевых поверхностей изделия, дизайнеру необходимо учесть форму и размеры внутренних деталей и механизмов и гармонично описать вокруг них внешнюю форму. Здесь уже придется отойти от бумажной или безбумажной, но двумерной технологии и начать работу в контексте трехмерной сборки SolidWorks, основу которой будут составлять детали и стандартизованные узлы (рис. 4а, б).

Рис. 4. От конструкции — к форме

Рис. 4. От конструкции — к форме

Получив от конструктора модель «внутренностей» изделия и требования по обеспечению необходимых зазоров, дизайнер может приступить к прорисовке внешних обводов в контексте сборки. Для этого ему потребуется создать новую деталь и в ней нарисовать трехмерную заготовку. Заготовка может состоять из твердых тел, поверхностей трехмерных кривых и т.п. Самое главное, что все формообразующие объекты ассоциативно связаны в единую модель, и ими можно управлять, изменяя параметры (размеры) отдельных геометрических примитивов.

После соответствующей проработки и поиска нужной формы заготовка передается конструктору, который проводит технологическое членение с целью обеспечения собираемости будущего изделия (рис. 4в). Таким образом, деталь-заготовка ложится в основу трехмерной сборки, состоящей из совокупности корпусных деталей и обеспечивающей их правильную стыковку друг с другом. Полученные модели передаются конструктору пресс-форм, который проектирует необходимую оснастку. Формообразующие модели оснастки, в свою очередь, обрабатываются в CAM-модуле, и полученная на выходе управляющая программа отправляется на станок с ЧПУ для изготовления деталей оснастки. Таким образом обеспечивается сквозная автоматизация всей цепочки «дизайнер/конструктор/технолог/производство», что существенно сокращает сроки выхода нового изделия на рынок.

В начало В начало

Гибридное параметрическое моделирование

Как уже отмечалось выше, работая в среде САПР SolidWorks, дизайнер может пользоваться инструментами твердотельного и поверхностного или, другими словами,  гибридного параметрического моделирования. Выбор тех или иных способов построения целиком и полностью зависит от пользователя; высокий функционал системы позволяет получить одну и ту же геометрическую форму самыми разными методами, что повышает комфортность работы и делает SolidWorks гибким средством 3D-моделирования (рис. 5). С основами твердотельного моделирования в SolidWorks знакомы многие, а о работе с поверхностями и об их взаимодействии с твердотельной геометрией мы писали в статье «Поверхностное моделирование в SolidWorks», опубликованной в № 8’2006 журнала «САПР и графика».

Рис. 5. Модель выполнена в поверхностях базовыми средствами SolidWorks

Рис. 5. Модель выполнена в поверхностях базовыми средствами SolidWorks

В начало В начало

Взаимодействие SolidWorks с дизайнерскими пакетами

Если дизайнер все же предпочитает работать в специализированном программном обеспечении, то возможен вариант, когда геометрическая модель передается в SolidWorks через интерфейс импорта/экспорта.

Большинство специализированных программ для дизайна и 3D-рендеринга не позволяют экспортировать данные в форматах CAD-систем, поскольку используют сеточное представление геометрии. Однако для SolidWorks это не является проблемой, поскольку пакет может импортировать объемные модели в сеточных форматах STL и WRML различных версий с сохранением встроенных текстур. При импортировании сеток STL или WRML в SolidWorks геометрия может быть загружена как графический объект (для просмотра, без возможности редактирования), как поверхность или как твердое тело. Особый интерес представляют два последних варианта, поскольку они дают возможность выполнять новые построения на импортированной геометрии. Геометрическая модель может быть загружена не только в качестве нового документа SolidWorks, но и в активную деталь при помощи команды «Вставить импортированный объект». Импортированный объект может быть использован для выполнения операции обрезки или удлинения исходной геометрии детали, после чего импортированный объект можно заменить на другой, и геометрия детали автоматически обновится в соответствии с новыми геометрическими условиями.

В начало В начало

SolidWorks, 3D-сканирование и 3D Studio

Важной особенностью пакета SolidWorks Premium 2007 стала функция ScanTo3D, позволяющая пользователям получать объемные CAD-модели, используя данные 3D-сканирования реальных физических прототипов либо средства преобразования сеточных форматов типа STL или WRML в гладкие поверхностные или твердотельные модели. Функционал ScanTo3D реализован в менеджере свойств SolidWorks в виде логической последовательности страниц, предлагающих пошагово выполнить операции по преобразованию облака сканированных точек в сетку треугольников, а затем — в поверхностную или твердотельную модель. ScanTo3D выполняет роль связующего звена между дизайнером, создающим физический прототип, и инженером-конструктором, проектирующим изделие в среде 3D. Ни одна из CAD-систем, представленных в настоящее время на рынке, не имеет функционала, даже отдаленно похожего на ScanTo3D!

Импортированное облако точек (xyz, txt, asc) или сетка треугольников (STL, WRML, 3ds, nxm, scn, obj) может быть сориентировано в 3D-пространстве относительно выбранной системы координат (рис. 6), используя выравнивание с привязкой к базовым плоскостям либо более тонкую ручную настройку. Для редактирования сеток в ScanTo3D имеются специальные инструменты, позволяющие выборочно выделить и удалить массивы треугольников, используя для этого «карандаш», «лассо», «параллелепипед» и т.п. В «Мастере редактирования сеток» имеются средства оптимизации, обеспечивающие укрупнение или разбиение ячеек сетки с целью более точного описания геометрии. Пользователь может увеличить или уменьшить количество треугольников в сетке, изменив, таким образом, размерность задачи.

Рис. 6. Сеточная модель 3D Studio, открытая в SolidWorks

Рис. 6. Сеточная модель 3D Studio, открытая в SolidWorks

ScanTo3D предлагает специальный набор инструментов для сглаживания сеток, которые позволяют проводить как локальное сглаживание выделенных областей сетки, так и сглаживание всей сетки в целом. Процесс сглаживания максимально автоматизирован, и эта, казалось бы, достаточно трудоемкая операция требует минимальных усилий от пользователя. ScanTo3D анализирует структуру сетки, определяет проблемные места (зазоры, отверстия) и выдает пользователю список этих объектов. Теперь не нужно масштабировать изображение модели в графическом окне, а достаточно указать в списке нужные элементы — и проблемы будут автоматически устранены.

Если модель имеет плоскости симметрии, ScanTo3D учитывает это при оптимизации сетки, сохраняя характерные геометрические особенности модели симметричными и предоставляя пользователю возможность их последующего редактирования. Для сеточной модели также может быть проведен анализ граней и выполнено разделение на группы подсеток (с учетом ориентации векторов нормалей треугольников), которые будут отнесены к различным поверхностям или граням будущей твердотельной модели. Результатом работы «Мастера подготовки сетки» является замкнутая полигональная сетка без зазоров и отверстий, однозначно описывающая внешние формы сканированного объекта. Такую сетку можно использовать для построения поверхностной или твердотельной модели.

Преобразование сетки сначала в поверхностную, а затем в твердотельную модель производится в автоматическом, интерактивном или в ручном режиме. Автоматический и интерактивный режимы реализованы в виде «Мастера создания поверхностей», который выполняет преобразование сетки в набор поверхностей либо по одному нажатию кнопки (предпочтительно для объектов сложной формы), либо пошагово выполняя извлечение граней, преобразование в поверхности, их обрезку, сшивку и, наконец, создание твердого тела (предпочтительно для объектов машиностроительного проектирования). Интерактивный способ создания поверхностей предполагает выбор раскрашенных в разные цвета групп треугольников (подсеток), относящихся к характерным граням модели. Для каждой подсетки можно указать тип поверхности, которую следует создать (рис. 7). Это может быть плоскость, цилиндр, конус, сфера или сплайновая поверхность. Интерактивный режим особенно хорош для преобразования сеток STL или WRML в полноценную CAD-геометрию, пригодную для последующего редактирования.

Рис. 7. Интерактивное создание поверхностей

Рис. 7. Интерактивное создание поверхностей

Поскольку функционал ScanTo3D реализован в базовом пакете SolidWorks Premium, использование данного модуля не требует финансовых вложений в покупку специальных программных продуктов для реверс-инжиниринга. Более подробная информация о ScanTo3D приведена в документации на русском языке, поставляемой в комплекте с программным комплексом, а также на web-сайте SolidWorks Corp по адресу: http://www.solidworks.com/pages/products/solutions/ScanTo3D.html.

В начало В начало

SolidWorks и Rhino

Начиная с версии 2006 SP4 (и выше) в базовый пакет SolidWorks добавлена возможность напрямую открывать файлы Rhino 3D (3DM), что обеспечивает двунаправленную совместимость данных, более высокую производительность и лучшее взаимодействие между инженерами и дизайнерами, параллельно работающими над единым проектом. Открывая файлы Rhino непосредственно в графическом окне SolidWorks, проектировщики могут разрабатывать конструкцию будущего изделия, опираясь на концептуальную геометрию, созданную дизайнерами в Rhino, выполнять различные инженерные расчеты, используя функции COSMOSWorks и MoldflowXpress, и создавать комплект документации для передачи в производство. Поддержка  формата Rhino 3D позволяет:

• открывать файлы Rhino 3D (3DM) непосредственно в графическом редакторе САПР SolidWorks;

• импортировать файлы Rhino в 3D-модель SolidWorks с сохранением ссылки на исходный файл Rhino и возможностью ассоциативного обновления поверхностей при внесении изменений в модель.

Подробное описание возможностей интерфейса Rhino 3D-SolidWorks читайте по адресу: http://www.solidworks.com/pages/products/solutions/Rhino-to-SolidWorks.html.

В начало В начало

Профессиональный 3D-рендеринг

От того, насколько красиво и качественно представлен новый продукт в рекламных материалах, зависит мнение потенциального покупателя. Поэтому ни один дизайнер не останется равнодушным к программе, использующей технологию RealView для отрисовки графического окна с аппаратной поддержкой программируемых профессиональных графических карт. К примеру, видеокарты NVIDIA Quadro оснащены полностью программируемыми графическими конвейерами, которые позволят моделировать в САПР SolidWorks свойства реальных материалов, например пластиков или металлов. Этот функционал заложен как в базовый пакет SolidWorks, так и в специальный модуль — PhotoWorks (поставляется в составе пакета SolidWorks Professional), который обеспечивает высочайшую реалистичность 3D-изображения и выполнение в реальном времени сложных интерактивных спецэффектов.

PhotoWorks является программой, которая дает возможность оценить внешний вид изделия еще на этапе проектирования, а также выпустить комплект рекламных буклетов и интерактивных руководств, показывающих потребительские качества будущего продукта. А это, в свою очередь, позволяет сократить время выхода новой продукции на рынок, что особенно актуально в современных условиях. Проектировщики и дизайнеры могут использовать PhotoWorks для получения изображений фотографического качества, показывающих изделие в том виде и в той обстановке, в которых оно будет реально эксплуатироваться.

Одним из ярких примеров использования PhotoWorks может служить опыт верфи Westport Shipyard (США), одной из ведущих судостроительных компаний в мире, специализирующейся на разработке и производстве моторных яхт класса «люкс». Дизайнеры интерьера Westport Shipyard использовали PhotoWorks для создания фотореалистичных изображений и трехмерной визуализации внутренних помещений яхты на основе объемных моделей SolidWorks (рис. 8). Благодаря этому, заказчики могли визуально оценить качество интерьеров еще на этапе проектирования и высказать свои замечания.

Рис. 8. Модуль PhotoWorks позволил полностью визуализировать интерьеры яхты с учетом свойств материалов и условий освещения

В начало В начало

Заключение

Использование новейших компьютерных технологий в 3D-дизайне позволяет кардинально сократить сроки выхода на рынок новой продукции, что гарантирует победу в конкурентной борьбе. САПР SolidWorks предоставляет пользователям гибкие и удобные средства графической реализации проектов. Благодаря таким качествам, как ассоциативность и параметризация, существенно упрощается взаимодействие дизайнера и конструктора, которые могут теперь работать в рамках единого информационного пространства, полностью контролировать процесс создания изделия и достигать намеченных целей в кратчайшие сроки. 

В начало В начало

САПР и графика 10`2006