Стандартизация трехмерного проектирования

Максим Конев. Инженер по внедрению CAD, ООО «ПЛМ Урал»
Владимир Власов. Технический директор, ООО «Делкам-Урал».

Использование атрибутов документа

Применение слоев

Использование наборов геометрии

Применение типов и цвета линий, фона

Использование единых настроек проверки геометрии

Применение технологической информации в 3D­модели

В настоящее время на всех без исключения российских предприятиях при разработке конструкторской документации используются чертежные стандарты ЕСКД. Эти стандарты разработаны давно, ими десятилетия пользуются все инженеры, их изучают студенты в учебных заведениях, работа с бумажной конструкторской документацией налажена на любом предприятии. Стандарт гарантирует, что любой инженер может легко прочитать и однозначно интерпретировать любой чертеж. Поскольку первые системы автоматизированного проектирования решали задачи получения двумерных чертежей, они изначально разрабатывались с учетом требований чертежных стандартов. Функционал и методики работы систем AutoCAD, Компас­График приспособлены для того, чтобы конструкторская документация соответствовала чертежным стандартам, в частности ЕСКД, если это CAD­система отечественного производства, и ISO и ANSI — если зарубежного.

Новое время предложило инновационные подходы к проектированию на основе трехмерного моделирования и методики работы. Такие методики предлагают разработку изделия, начиная от трехмерной геометрической модели, данные которой затем применяются для оформления конструкторского чертежа, получения ведомостей, отчетов, разработки технологии, обработки на станках с ЧПУ, осуществления контроля производства и собираемости изделия, а также для других целей производства.

В отличие от 2D, в 3D мы уже не имеем сколько­нибудь проработанных стандартов, регламентирующих представление информации, как у нас в стране (ГОСТ), так и за рубежом (ISO). Системы объемного моделирования создавались в условиях отсутствия стандартов, подобных чертежным, а значит, и функционал у разных систем значительно различается, при этом он весьма разнообразен и насыщен. В связи с этим мы не можем гарантировать, что модель, созданная одним инженером, легко и однозначно может быть прочитана и интерпретирована другим инженером. Компьютерные модели деталей, созданные разными инженерами и помещенные в одну сборку, могут сделать ее абсолютно нечитаемой. Это объясняется тем, что при проектировании не используются единые централизованные настройки среды моделирования. В отсутствие государственных стандартов подобные стандарты 3D­моделирования нужно принимать на уровне конкретного предприятия или КБ. Сегодня на предприятиях, особенно крупных, безраздельно властвуют чертежные стандарты ЕСКД, поэтому руководство не всегда понимает важность введения стандартов по трехмерной разработке изделий и обращению электронной документации — ведь итогом работы инженера всё еще является двумерный чертеж. В итоге на большинстве российских предприятий каждый конструктор самостоятельно решает, как выстраивать работу с 3D­моделями при разработке конструируемого изделия, чтобы потом можно было отчитаться в принятой системе отчетности о разработках — в общем случае это бумага, оформленная по ЕСКД. Когда отчетным документом конструктора является бумага, об исходной 3D­сборке на этапах производства забывают, изменения проводятся на бумаге, технология пишется по бумажной КД, а труд конструктора по разработке 3D­макета изделия оказывается ненужным.

В связи с вышеописанными обстоятельствами хочется обратить внимание на важность разработки на предприятии руководств и инструкций, допущений и ограничений, выраженных в стандартах предприятия, регламентирующих работу с трехмерными CAD­системами, электронной документацией и трехмерными моделями еще до этапа промышленной эксплуатации CAD­систем в конструкторских подразделениях. При этом необходимо учитывать особенности выбранной CAD­системы, реализованные в ней технологии и возможности, а также ограничения и возможности интеграции с внешними информационными, управляющими системами и базами данных. Если не задаться этими вопросами в начале внедрения CAD­системы, это может обернуться не сокращением циклов конструирования и облегчением работы инженеров, как это предполагается при начале работ по внедрению CAD, а получением противоположного результата, когда из­за неоднородной и разрозненной информации в КД и несогласованных методов проектирования возникают ошибки и затягиваются сроки проектирования и производства.

Многие зарубежные корпорации и предприятия разработали и давно используют свои корпоративные стандарты по работе с электронными документами и геометрическими моделями, что значительно упростило управляемость и контролируемость процессов разработки и производства. Примерами могут служить ЦЕРН (CERN) — Европейская организация по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, и Bosch — одна из самых крупных компаний, производящая продукцию различного назначения, и многие другие фирмы. Современное течение развития PLM­решений, по всей видимости, заставит принимать собственные стандарты проектирования на каждом предприятии. Чем раньше придет такое понимание, тем быстрее пройдет период адаптации к новым методам работы.

Данная публикация дает ответ на вопрос, что нужно стандартизировать в области 3D­проектирования.

Использование атрибутов документа

Любая современная CAD­система умеет работать с атрибутивной информацией документа (атрибутами). Атрибуты — это специальные данные, которые прикрепляются к документу или к выбранным данным, содержащимся внутри документа. Атрибуты могут представляться в текстовом, числовом виде или в виде логических выражений. Атрибуты в основном применяются PDM­системами и системами обработки информации для формирования отчетов по проекту. Очень важно для каждого разрабатываемого документа правильно оформлять атрибутивную информацию, что впоследствии позволит не собирать эту информацию вручную, а быстро получить все необходимые данные по сборке, комплекту КД и т.д.

Атрибуты зависят от типа документа, но наиболее часто используемые основные можно перечислить: «ОБОЗНАЧЕНИЕ», «НАИМЕНОВАНИЕ», «ТИП ДОКУМЕНТА», «РАЗРАБОТАЛ», «ПРОВЕРИЛ», «УТВЕРДИЛ», «НОМЕР ИЗМЕНЕНИЯ», «ДАТА ИЗМЕНЕНИЯ», «ДАТА ПОСТАНОВКИ НА УЧЕТ», «МАССА», «МАТЕРИАЛ». Список атрибутов должен быть продуман заранее и храниться в шаблонах для разработки моделей. Атрибуты, в зависимости от их типа, применяются при согласовании КД, для ведения карточек учета документации, в процессе разработки технологии, в производстве. Стандартизация системы атрибутов документа на предприятии и правильное заполнение атрибутов в процессе проектирования КД впоследствии помогают получить объективную информацию по всем электронным документам предприятия, проектам, изделиям, следить за состоянием изделий и прохождением их по стадиям производства.

Применение слоев

Разнесение объектов по слоям существенно структурирует содержимое электронного документа. Слои документа прежде всего предназначены для работы с видимостью объектов проектирования на экране. В строительном проектировании использование слоев давно стало стандартом де­факто, когда поэтажные планы сооружения выполняются на различных слоях. Проектирование коммуникаций, трубопроводных и электрических, размещение оборудования в помещениях также производится на отдельных слоях. В результате проектирования в необходимый момент путем сочетания и комбинации видимости слоев можно получить вид нужного этажа с проложенными коммуникациями и расставленным оборудованием.

Таблица 1. Пример разбиения объектов по слоям в стандарте ЦЕРНа для документа чертежа (пер. с англ.)

Таблица 2. Пример определения объектов по цвету из стандарта одного из российских предприятий

Системы твердотельного проектирования, такие, например, как NX от Siemens PLM Software, могут работать со слоями при трехмерном проектировании модели детали или сборки. В этом случае слои целесообразно применять при разработке для размещения на них геометрии различного вида. Например, в одной группе слоев размещается основная твердотельная геометрия, представляющая конечный вид изделия; в другой — вспомогательная твердотельная и поверхностная геометрия, служащая для вспомогательных геометрических построений; в третьей группе располагаются справочные объекты, такие как плоскости построения, оси, векторы, точки привязки. В четвертой группе слоев можно разместить эскизы, по которым были выполнены основные операции построения модели, и т.д. Поле деятельности при работе со слоями обширно, и на каждом предприятии можно организовать работу по­своему, поэтому важно изначально расписать и узаконить в СТП однозначное использование слоев (рис. 1). Результатом будет понятное для каждого назначение той или иной геометрии и возможность использовать те или иные объекты проектирования с заданной целью.

Рис. 1. Использование слоев в трехмерных моделях

Использование наборов геометрии

Многие CAD­системы применяют такой функционал, как геометрические наборы. В NX, например, они называются Ссылочными наборами (Reference Set). С их помощью можно организовать отображение сборки в нужной конфигурации, в зависимости от вида выполняемой в данный момент работы. Например, при разработке силового каркаса изделия мы размещаем все детали, связанные с его проектированием, в наборе «КАРКАС», при активации которого в сборке вся остальная геометрия, отвечающая за другие подсистемы изделия, остается скрытой, и нам ничто не мешает сосредоточиться на разработке каркаса. При сопряжении частей конструкции между собой мы можем отобразить сборку с набором, в котором видны только те части изделий, по которым проводится сборка. Это удобно при разработке больших узлов конструкции, поскольку подобные сборки имеют тенденцию «тормозить» систему из­за большой нагрузки на оперативную память и подсистему работы с графикой. Естественно, при использовании наборов появляется возможность ошибки, так как часть геометрии скрывается при работе. В этом случае при разработке стандарта использования наборов геометрии следует выработать процедуру и регламент проверки геометрии на пересечения. Функционал таких проверок есть в любой современной трехмерной CAD­системе (рис. 2).

Рис. 2. Использование наборов геометрии

Применение типов и цвета линий, фона

При оформлении листов чертежа для удобства восприятия и проверки графической информации целесообразно пользоваться цветовой идентификацией объектов. Разным цветом можно определять линии чертежа, разграничивая их по типу, толщине, видимости и назначению. Например, основные линии вида обозначаются синим цветом, невидимые — желтым, линии, определяющие обстановку, — зеленым, осевые и вспомогательные — красным. Кроме того, цвет задается для таких объектов чертежа, как размеры и размерные линии, текстовые заметки, различные обозначения на чертеже, таблицы и спецзнаки. Применение того или иного цвета на чертеже нужно выбирать с учетом фона экрана, чтобы все объекты были хорошо видны и не резали глаз.

Толщины линий также можно условно задавать цветом. При этом на экране линии будут отображены одинаковой толщины, а при выводе на печать — с реальной заданной толщиной.

Цвет можно использовать при проектировании трехмерных моделей деталей и сборок. При этом разными цветами можно кодировать различную информацию, например тип детали (покупное, стандартное, оригинальное), номер изменения, стадию согласования, стадию производства и многие другие свойства. Впоследствии по выбранному цвету можно проводить отбор в соответствии с выбранным критерием для сбора статистики по проекту или других целей (рис. 3).

Рис. 3. Пример применения цветовой идентификации объектов чертежа

Использование единых настроек проверки геометрии

Важно установить параметры моделирования, точность построения трехмерной геометрии и отслеживать корректность получаемой модели, что особенно важно для механически обрабатываемых на станках с ЧПУ деталей, — от этого может зависеть корректность программы и длительность обработки на станке. В шаблоне моделирования детали задаются такие параметры, как максимальная степень изопараметрических кривых и поверхностей, минимальные радиусы кривизны поверхностей, точность построения геометрических операций (обычно задается числом, характеризующим отклонение реально построенной геометрии от вычисленного значения).

По завершении проектирования контролируются такие значения геометрии, как минимальная длина кромки, минимальная площадь грани, максимальная кривизна поверхностей, целостность геометрической модели и другие параметры, которые определяются в правилах проектирования и проверки (чекинг­листах) и контролируются средствами CAD­системы (рис. 4).

Рис. 4. Настройки проверки геометрии модели: а — критерии проверки геометрии; б — настройки точности проверки

Применение технологической информации в 3D­модели

ГОСТ 2.052­2006 позволяет нам располагать размеры, поверхности и текстовые указания, предельные отклонения, отклонения формы в самой 3D­модели на ее основных видах. Также ГОСТ допускает возможность не оформлять чертеж на изделие, если вся информация о нем занесена в модель и оформление чертежа не требуется для подготовки производства или предоставления заказчику. Сегодня в России такой возможностью практически никто не пользуется, возможно, потому, что подобный функционал реализован пока лишь в нескольких системах. Например, Siemens PLM Software реализовала функционал PMI (Product Manufacturing Information) по размещению технологической информации в модели в NX (рис. 5). С помощью PMI возможно внести в модель всю информацию, необходимую для работы (размеры, допуски, базы, отклонения формы и расположения, технические требования, обозначения, указания). На основе этих данных возможен анализ построенной модели, например расчет размерных цепей, проверка модели на соответствие требованиям, отраслевым стандартам и требованиям предприятия. Технологическую информацию PMI можно, например, применять при построении технологии механической обработки в CAM­приложениях или при контроле соответствия изготовленной детали исходной модели с помощью измерительного оборудования. Использование новых методов работы значительно ускоряет и облегчает процессы разработки и производства, а также ведет к сокращению ошибок проектирования и производства. Почему бы не взять на вооружение эти методы, предварительно зафиксировав их как методы работы на предприятии в соответствующих СТП?

Рис. 5. Применение PMI при оформлении чертежа детали

Мы работаем в области автоматизации производственных процессов на промышленных предприятиях уже довольно давно и накопили большой опыт по внедрению в производство современных программных инженерных решений. При внедрении проекта по автоматизации конструкторско­технологических работ мы руководствуемся специально созданной нами методикой, которая включает набор документов и директив, описывающих и реализующих этапы проекта. В частности, нами разработаны и документы, регламентирующие работу с электронными геометрическими моделями и электронной структурой изделия для различных CAD. При составлении документов мы основывались на нашем опыте работы с предприятиями и старались учесть все факторы и моменты, возникающие при работе с моделями. В результате документ получается подробным и служит шаблоном при внедрении проекта на любом предприятии. При реализации конкретного проекта такой шаблон пересматривается, ненужное исключается, необходимое и неучтенное вводится. В качестве примера можно привести часть документа, описывающего разнесение объектов по слоям для модели NX:

Рекомендуется все объекты, находящиеся в ЭМИ, размещать по слоям в следующем порядке:

• группа слоев SOLIDS (1­20) — рабочая твердотельная геометрия. Твердые тела, применяемые для текущих построений модели;
• группа слоев SHEETS (21­30) — рабочая поверхностная геометрия. Поверхности, используемые для текущих построений модели;
• группа слоев CURVES (31­40) — кривые, параметрические и непараметрические, применяемые для построения модели;
• группа слоев DATUMS (41­50) — вспомогательные построения, требуемые для построения элементов модели (плоскости, векторы, кривые, точки, системы координат);
• группа слоев SKETCHES (51­60) — внешние эскизы для построения элементов модели;
• группа слоев MATES (101­110) — построения, используемые для позиционирования моделей деталей и сборочных узлов в сборках верхнего уровня. Этими объектами могут быть как справочная геометрия (плоскости, векторы, точки, системы координат), так и основная геометрия (твердые тела, поверхности);
• группа слоев TUBING (111­120) — построения, применяемые модулем NX/Routing Mechanical для построения трубопроводных систем;
• группа слоев WELD (121­130) — построения, используемые модулем NX/Routing Mechanical для построения сварных конструкций;
• группа слоев WIRE (131­140) — построения, применяемые модулем NX/Routing Electrical для прокладки электрических коммуникаций;
• группа слоев MOCKUP (201­210) — данные ЭМК для отображения в обзорной сборке изделия;
• группа слоев environment (211­220) — геометрия, относящаяся к окружающему пространству, вспомогательная геометрия;
• группа слоев SIMPLE (221­230) — геометрия свертки твердых тел или внешние поверхности сборки для облегчения загрузки и визуализации в сборках верхнего уровня;
• группа слоев FACET (231­240) — фасетные представления твердых тел детали или сборки для облегченной визуализации в сборках верхнего уровня;
• группа слоев SIMPLEDRAW (241­250) — каркасное представление твердых тел сборки в виде кривых для создания облегченных неассоциативных чертежей сборки;
• группа слоев PMI (251­256) — содержит конструкторско­технологическую информацию, нанесенную на 3D­модель изделия (PMI).

В заключение отметим, что приобретение той или иной системы автоматизированного проектирования или управления разработками КД не дает вам гарантии, что она заработает сразу после установки. Необходимо грамотно выработать и реализовать концепцию работы средств автоматизации и подразделений предприятия путем разработки СТП, инструкций и регламентов. При этом обязательно потребуются доработка и дополнение функционала системы, связанные с особенностями предприятия. Весь персонал, работающий в системе и поддерживающий работоспособность системы, должен быть обучен, далее необходима периодическая переподготовка специалистов, связанная с выходом новых версий. Должна быть сформирована квалифицированная команда, обеспечивающая работоспособность системы. Только в этом случае вам гарантирован успех при использовании PLM­решений.

Выбирая нашу компанию в качестве поставщика и внедренца PLM­решений, вы получаете в его лице долгосрочного квалифицированного партнера в области применения современных информационных технологий, при этом стороны извлекают взаимную выгоду от сотрудничества, вы получаете решение по автоматизации производства, а мы приобретаем и капитализируем опыт.

САПР и графика 5`2011