3D-модели в ИПИ-технологиях
Комплексная информатизация технической деятельности предприятия определяется информационной поддержкой жизненного цикла изделий (ИПИ-технологии), или, в другой интерпретации, концепцией управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management, PLM).
Главная цель ИПИ-технологий — создание единого информационного пространства (ЕИП), или интегрированной информационной среды (ИИС) для всех участников жизненного цикла изделий (ЖЦ).
Общее представление об ИИС целесообразно расширить в отношении геометрической модели (ГМ) изделия. Важной отличительной особенностью ИПИ-технологий становится широкое использование электронной (информационной) модели (ЭМ) изделия, его составных частей, технологической оснастки для изготовления и т.п. на большинстве этапов ЖЦ. Математической основой ЭМ служит ГМ, являющаяся первоисточником для ряда других видов ЭМ. Такими видами могут быть:
- электронный макет;
- мастер-модель;
- технологический электронный макет;
- электронная компоновка.
К этапам ЖЦ изделия, на которых используются ЭМ, относятся: маркетинг и определение требований к изделию, конструкторская технологическая и организационно-экономическая подготовка производства, производство, постпроизводственная стадия. При этом ЭМ формируется единой для всех этапов, позволяя использовать ее одновременно разными структурами. ГМ, как правило, формируется с помощью САПР, или Computer Aided Design (CAD).
Рис. 1. Интерфейс CAD-системы Autodesk Inventor
Трехмерная ГМ может быть сформирована различными CAD-системами. На рис. 1 представлен интерфейс CAD-системы Autodesk Inventor — основы технологии цифровых прототипов. В ней имеется полный набор средств для 3D-моделирования, управления информацией, совместной работы над проектами и обеспечения технической поддержки. Эта CAD-система позволяет:
- создавать 2D- и 3D-эскизы, трехмерные модели изделий и производственные чертежи;
- создавать адаптивные конструктивные элементы, детали и узлы;
- формировать кинематические снимки расположения составных частей изделий;
- настраивать отображение изделия, управляя видимостью его компонентов;
- управлять сложными изделиями, состоящими из тысяч деталей;
- запускать сторонние приложения, базирующиеся на функциях интерфейса прикладного программирования (API);
- использовать язык VBA для доступа к API-интерфейсу Autodesk Inventor;
- импортировать в Autodesk Inventor файлы форматов SAT, STEP, AutoCAD и Autodesk Mechanical Desktop (формата DWG) для использования в приложении Autodesk Inventor;
- экспортировать файлы Autodesk Inventor в форматы AutoCAD, Autodesk Mechanical Desktop, IGES и STEP;
- сотрудничать с другими конструкторами в работе над проектами;
- использовать Интернет для доступа к проектам и данным, а также для общения с коллегами;
- пользоваться интегрированной системой поддержки.
При этом в пользу предпочтительного применения трехмерного моделирования в ИПИ-технологиях существует ряд доводов, среди которых:
- улучшенное конструктивное оформление. Трехмерная модель для конструктора — более удобный и эффективный способ воспроизведения замысла. Одним из наиболее очевидных отличий твердотельного моделирования от двумерного черчения является построение точной по размерам трехмерной модели. Благодаря графическим возможностям современных компьютеров, модель можно рассматривать на экране со всех сторон, манипулируя ею, как реальным предметом;
- автоматизированное производство чертежей. Одним из главных преимуществ программ 3D-моделирования является их способность быстро создавать точные 2D-чертежи;
- упрощенная модификация чертежей. Программы 3D-моделирования позволяют легко изменять уже существующие конструкции и их чертежи. Интеллектуальные функции пакетов 3D-моделирования ускоряют процесс модификации. Параметрический подход дает конструктору возможность задать новые размеры, а программа пересчитает все изменения, касающиеся тех деталей модели, которым определены эти размеры, автоматически обновит всю модель;
- интеграция с другими программами. Достоинством технологии твердотельного моделирования является возможность последующей обработки полученных результатов с помощью других программ, связанных, например, с анализом и производством;
- укороченный цикл проектирования. Преимущество технологии твердотельного моделирования связано с возможностью поддержания конкурентоспособности за счет сокращения цикла проектирования.
На этапе маркетингово-рекламной деятельности создается ЭМ, демонстрируемая заказчику и, в случае необходимости, корректируемая под его требования. Наиболее предпочтительны для этой цели технологии виртуального и анимационного моделирования, встраивания в окружающую среду и демонстрация функционирования изделия. Важными компонентами здесь являются фотореалистичность, текстура, цвета, освещение и т.п. На рис. 2 представлена твердотельная модель редуктора, выполненная в технологии Autodesk Inventor, которая может быть использована на этапе маркетингово-рекламной деятельности. На рис. 3 показана возможность демонстрации заказчику модели в тонированном режиме с разных ракурсов.
Рис. 2. Твердотельная модель редуктора (выполнено в Autodesk Inventor)
На этапе подготовки производства ЭМ также играет значительную роль. При конструкторской подготовке производства, кроме твердотельных ГМ, выполняются ГМ другого типа: каркасные и поверхностные.
Рис. 3. Модель редуктора: пространственные виды
На рис. 4 и 5 модель редуктора отображена соответственно в каркасном режиме и в режиме с невидимыми линиями.
При этом ГМ может быть выполнена как в неизменяемом, так и в параметрическом виде. В последнем случае величина и форма ГМ зависит от параметров, причем изменение каждого параметра оказывает влияние на ГМ. ГМ хранятся в базе данных изделия и предназначаются для различных инженерных задач проектирования и производства. Возможно создание по 3D-модели 2D-чертежа (рис. 6 и 7).
Рис. 4. Модель редуктора, отображенная в каркасном режиме
Рис. 5. Модель редуктора, отображенная в режиме с невидимыми линиями
На стадии конструкторской проработки производится инженерный анализ изделия (ИА) и его составных узлов и деталей (Computer Aided Engineering, CAE).
Разновидностями ИА являются: прочностной, кинематический, тепловой, гидроаэродинамический, акустический и др. При проведении ИА во всех случаях первоисточником служит та или иная ГМ. Современный ИА проводится с использованием промышленных программных комплексов, базирующихся на конечно-элементных расчетах. При этом ГМ может быть сформирована как в самом программном комплексе (если такой модуль в нем предусмотрен), так и в сторонней CAD-системе. Последний вариант с точки зрения ИПИ-технологии и формирования ЕИС представляется предпочтительным. Созданная однажды ГМ используется на всех стадиях ЖЦ изделия, включая и ИА. Некоторые системы ИА полностью интегрированы с CAD-системами, напрямую встраиваются в них (Autodesk Mechanical Desktop и Autodesk Inventor) и динамически отслеживают все введенные конструктором изменения. Геометрические интерфейсы поддерживают форматы ACIS, Parasolid, STEP, IGES и STL. Конечно-элементный расчет напряженно-деформированного состояния, собственных частот, устойчивости, стационарного и нестационарного теплообмена в элементах конструкции, а также автоматическая оптимизация геометрии и топологии выполняются в тесном взаимодействии с CAD-системой.
При построении динамической модели механизма шарниры и связи ГМ автоматически преобразуются в шарнирные соединения динамической модели с возможностью последующей корректировки со стороны пользователя.
Рис. 6. 2D-чертеж детали (разработана в Autodesk Inventor)
Рис. 7. 3D-модель детали (получено из 3D-модели инструментарием Autodesk Inventor)
Препроцессор, решая широкий класс задач механики деформирования твердого тела и анализа тепловых процессов, включает различные методы формирования ГМ (в том числе и твердотельных), автоматическую и полуавтоматическую генерацию конечно-элементной сетки (рис. 8), а также интерфейсы с CAD-системами.
ГМ, по данным С.Девятова, может быть использована (рис. 9) для анализа структуры течений в трехмерном пространстве изделия.
Рис. 8. Конечно-элементная сетка на ГМ изделия
Рис. 9. Расчет 3D-течения жидкости в кране с частично закрытым проходным сечением
ГМ играют ключевую роль и на этапе технологической подготовки производства (Computer Aided Manufacturing, CAM). Речь идет о программном обеспечении для создания технологических электронных макетов, подготовки процесса механообработки и получения готовых изделий или сопутствующей оснастки на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и их контроля на координатно-измерительных машинах. При этом используются данные двумерных чертежей или трехмерных моделей, содержащих поверхностную, твердотельную или гибридную геометрию. Существуют многочисленные технологические программы, однако их структура и принципы работы во многом похожи. Среди них SolidCAM — полностью локализованное технологическое решение для подготовки в графической среде Autodesk Inventor управляющих программ механообработки на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) — рис. 10. По данным А.Благодарова, программа SolidCAM представляет собой инструмент создания управляющих программ для токарной, фрезерной, токарно-фрезерной и электроэрозионной обработки. Она поставляется как с собственным графическим редактором, обеспечивающим каркасное, поверхностное и твердотельное моделирование, так и в виде интегрированного приложения к конструкторским программам, таким как Autodesk Inventor, AutoCAD и др.
Рис. 10. ГМ в окне программы SolidCAM
Важной особенностью совместного использования ГМ и функциональных возможностей Autodesk Inventor по различному представлению трехмерной ГМ в границах допусков является то, что SolidCAM может рассчитывать траекторию обработки не по номинальному размеру, а с учетом заданных размерных припусков. Для трехмерных твердотельных, поверхностных, смешанных моделей и сборочных узлов обеспечена поддержка различных типов стратегий черновой и чистовой обработки (растровая обработка с заданным или автоматически определяемым углом растра, обработка по эквидистанте, проекционная обработка, обработка по ватерлиниям и др.). Отметим также такие специальные типы обработки, поддерживаемые программой, как черновая обработка врезанием (рис. 11) и обработка отверстий на трехмерной модели.
Рис. 11. Черновая обработка врезанием
Рис. 12. ГМ корпуса редуктора, размещенная в ИЭТР (ГМ разработана в Autodesk Inventor, ИЭТР — в Technical Guide Builder)
Рис. 13. Чертеж корпуса редуктора, размещенный в ИЭТР (выполнен инструментарием Autodesk Inventor по ГМ, ИЭТР — в Technical Guide Builder)
На постпроизводственной стадии для осуществления интегрированной логистической поддержки (ИЛП) изделия эксплуатирующая организация использует созданное проектантом и переданное ей интерактивное электронное техническое руководство (ИЭТР). В структуру ИЭТР составной частью, как правило, включается ГМ изделия и его компоненты. При этом в ИЭТР могут быть включены точные модели деталей (рис. 12) и их чертежи (рис. 13), а также модели сборочных узлов и схемы разного содержания и назначения. Особое удобство (наглядность) для обслуживающего персонала создают ролики с анимационными моделями «сборки — разборки» узлов изделий, разработанные на базе их виртуальных моделей (рис. 14 и 15).
Рис. 14. Фрагмент ролика анимационной модели «сборки — разборки» узла (выполнено в Autodesk Inventor)
Рис. 15. Виртуальная модель узла (выполнено в Autodesk Inventor)
Таким образом, 3D-модели в ИПИ-технологиях все чаще используются практически на всех стадиях ЖЦ изделий.
