7 - 2011

Революция в моделировании

Егор Головлев
Внештатный корреспондент корпоративного журнала Siemens PLM Software — «plm news. Инновации в промышленности»

Предпосылки для внедрения синхронной технологии

CAD­системы: от прямого моделирования к синхронному

Плюсы синхронной технологии

Влияние на производство

В секторе PLM состоялась революция. Разработанная компанией Siemens PLM Software синхронная технология сводит трудоемкий процесс 3D­моделирования к цепочке простых и интуитивно понятных действий. Многократное ускорение в ключевой для производства фазе ведет к вполне осязаемым бизнес­результатам: сокращаются сроки выхода новых изделий и издержки, а потребители получают нужный продукт вовремя и по конкурентоспособной цене.

Предпосылки для внедрения синхронной технологии

Процесс инженерного проектирования в современной компании настолько высокотехнологичен, что просто обязан следовать общемировым трендам. В итоге те же факторы, что обеспечивают товарное изобилие на рынках, становятся негативными в глазах производственников. Сжатые сроки выхода на рынок, ценовая конкуренция, непрекращающееся межкорпоративное соревнование за лучший дизайн, стремление угодить конъюнктуре вкусов клиентов, работа с сотнями независимых поставщиков — всё это объективная реальность для сотен и тысяч компаний от индустриальных гигантов, лидеров в своих отраслях, до небольших производителей.

В Solid Edge с синхронной технологией команда Растянуть в 3D (3D Stretch) позволяет

В Solid Edge с синхронной технологией команда Растянуть в 3D (3D Stretch) позволяет легко изменить длину импортированной детали, не имеющей дерева построения

Ситуацию, в которой оказались предприятия, не назовешь неожиданной. Наоборот, компаниям есть у кого поучиться противостоять постоянно меняющимся рыночным требованиям. Так, методики и инструментарий управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management, PLM) уже неоднократно доказывали свои преимущества, в том числе и в российских условиях. Однако достаточно ли одних классических средств PLM для успешной конкуренции? Программные комплексы PLM развиваются вслед за рынком, а инструментарий, который хотя бы однажды применил лидер отрасли, вскоре становится доступным всем игрокам. Это эволюционный путь развития. Возможен ли на нем революционный прорыв?

В компании Siemens PLM Software уверены, что квантовый скачок возможен. Более того — неизбежен. В основе такого предположения — понимание сути наукоемкого производственного процесса. Попробуйте подсчитать: от 30 до 90% времени, которое проходит с момента возникновения идеи до поступления продукта в продажу, будущий товар пребывает в виде дизайн­модели. То есть существует в четырех измерениях: первые три — это, собственно, 3D­модель продукта в CAD­системе, а четвертое — время, в течение которого трехмерная модель перемещается из инженерного отдела в производственный, от поставщика к заказчику, туда и обратно, собирая по пути комментарии, пожелания и правки. Современный CAD­процесс по сути своей состоит из рутинного редактирования и постоянных проверок. Тем не менее очевидно, что CAD — это неотъемлемая часть, ядро любой PLM­системы. Именно на ПО САПР приходится свыше 70% из тех 15­18 млрд долл., которые компании по всему миру ежегодно тратят на свои PLM­комплексы (к 2010 году, по оценке американской исследовательской компании CIMData, эта цифра вырастет до 27 млрд долл.). Системы CAD концептуально не менялись последние лет двадцать. И вот теперь именно в области CAD компания Siemens PLM Software подготовила переворот под названием «синхронная технология».

В начало В начало

CAD­системы: от прямого моделирования к синхронному

В чем же суть нововведения? Чтобы почувствовать преимущества нового, «синхронного» подхода к 3D­моделированию, понадобится небольшой экскурс в историю конструкторской профессии. Всё началось 45 лет назад с создания Айваном Сазерлендом в Массачусетсском технологическом институте системы двумерного черчения SKETCHPAD. С тех пор в истории систем CAD произошли лишь два поворотных события. Первое вполне закономерно — это переход к трем измерениям и твердотельному моделированию, состоявшийся еще в 70­х годах. Второе намного более революционно — это переход от прямого моделирования к параметрическому. Более архаичное «прямое» моделирование позволяет конструкторам непосредственно менять геометрию модели, не задумываясь о последствиях. Можно, например, поменять диаметр какого­либо отверстия или кривизну отдельной линии. Подход к редактированию достаточно очевиден и прямолинеен. «Прямое» редактирование одного элемента никак не повлияет на те остальные элементы, которые по логике вещей должны быть с ним связаны. Фактически конструктор изменяет только то, что видит, хочет изменить и выделил с этой целью на экране манипулятором.

Технология текущих правил в Solid Edge с синхронной технологией выявляет и сохраняет наиболее важные геометрические взаимосвязи, например касательность этой небольшой угловой поверхности и большого цилиндра

Технология текущих правил в Solid Edge с синхронной технологией выявляет и сохраняет наиболее важные геометрические взаимосвязи, например касательность этой небольшой угловой поверхности и большого цилиндра

Деталь с полным деревом конструктивных элементов (в центре) и выполнение растягивания

Деталь с полным деревом конструктивных элементов (в центре) и выполнение растягивания для увеличения длины детали при выделении геометрии 2D ограничивающим контуром (слева)

Увеличение ширины 3D-детали в Solid Edge при помощи команды Растянуть в 3D (3D Stretch). Красный зафиксированный размер сохраняет положение отверстия, даже когда оно не попадает в выбранную геометрию. Этот пример показывает всю гибкость прямого моделирования с точным размерным контролем (a). Изометрические проекции детали до и после редактирования. Подобное редактирование выполняется одинаково эффективно как с «родными», так и с импортированными моделями (б)

Увеличение ширины 3D-детали в Solid Edge при помощи команды Растянуть в 3D (3D Stretch). Красный зафиксированный размер сохраняет положение отверстия, даже когда оно не попадает в выбранную геометрию. Этот пример показывает всю гибкость прямого моделирования с точным размерным контролем (a). Изометрические проекции детали до и после редактирования. Подобное редактирование выполняется одинаково эффективно как с «родными», так и с импортированными моделями (б)

Появившийся в 80­х годах и потому считающийся более современным «параметрический» подход заключается в работе с моделью построения объекта. «Параметрическая» САПР записывает все действия дизайнера в дерево построения, воспроизводя тем самым его собственный «рецепт» создания модели. Параметрическая модель позволяет менять созданные на ранних этапах элементы и автоматически перестраивает всю созданную позже геометрию. Неудивительно, что параметрическое моделирование стало в последние годы стандартом де­факто для всей CAD­индустрии. Однако у параметрической модели есть и существенный недостаток: если на построение модели понадобилось несколько сотен операций, а требуется изменить глубину лишь какого­нибудь одного паза, то найти процедуру создания этого элемента в дереве построения бывает сложно. Тем более если работу над одной моделью ведут несколько конструкторов.

Различные способы редактирования геометрии в Solid Edge. В Solid Edge с синхронной технологией конструктивные элементы модели не зависят друг от друга, поэтому операции могут менять и ранее созданную геометрию. Начальное состояние представлено на рисунке слева. Три рисунка справа показывают возможные способы перемещения крайней левой грани и отверстия

Различные способы редактирования геометрии в Solid Edge. В Solid Edge с синхронной технологией конструктивные элементы модели не зависят друг от друга, поэтому операции могут менять и ранее созданную геометрию. Начальное состояние представлено на рисунке слева. Три рисунка справа показывают возможные способы перемещения крайней левой грани и отверстия

В начало В начало

Плюсы синхронной технологии

Теперь, когда преимущества и недостатки обоих подходов к моделированию стали очевидны, посмотрим, что дает конструктору новая синхронная технология. Ни много ни мало — прорыв в цифровом моделировании. Начало синхронной технологии было положено в лабораториях компании UGS, которую Siemens приобрела в 2007 году, — теперь компания называется Siemens PLM Software. Синхронная технология объединила в себе лучшее от предшественников, а именно: построенная на синхронной технологии CAD­система позволяет применять методы прямого редактирования к параметрической модели. Результаты объединения двух концепций приводят к значительному повышению производительности труда конструкторов — до 100 раз в зависимости от сложности модели. Причем это консервативный прогноз, считает доктор Кен Фершпиль (Ken Versprille), директор по исследованиям отраслевой консалтинговой компании Collaborative Product Development Associates.

Удлинение модели кривошипа, импортированной из другой системы. Хотя модель не разделена на элементы, а взаимосвязи отсутствуют, технология текущих правил гарантирует сохранение касательности, а также соответствия крайнего правого крепежного отверстия с окаймляющей его геометрией

Удлинение модели кривошипа, импортированной из другой системы. Хотя модель не разделена на элементы, а взаимосвязи отсутствуют, технология текущих правил гарантирует сохранение касательности, а также соответствия крайнего правого крепежного отверстия с окаймляющей его геометрией

При использовании линейного моделирования (с деревом построения) пользователи могут проставлять размеры только на уже существующую геометрию в момент создания конструктивного элемента. На рисунке слева пользователь начинает работу и собирается зафиксировать расстояние в 50 мм между валом и основанием. В традиционных системах пользователю пришлось бы вернуться к первому этапу и изменить значение размера, равного 40 мм (рисунок в центре). Solid Edge с синхронной технологией позволяет пользователям просто перетащить размер 50 мм на основание модели и отредактировать его для получения требуемой высоты

При использовании линейного моделирования (с деревом построения) пользователи могут проставлять размеры только на уже существующую геометрию в момент создания конструктивного элемента. На рисунке слева пользователь начинает работу и собирается зафиксировать расстояние в 50 мм между валом и основанием. В традиционных системах пользователю пришлось бы вернуться к первому этапу и изменить значение размера, равного 40 мм (рисунок в центре). Solid Edge с синхронной технологией позволяет пользователям просто перетащить размер 50 мм на основание модели и отредактировать его для получения требуемой высоты

Чем сложнее задача моделирования, тем больший эффект может дать синхронная технология. Например, когда перед нами так называемый тупой солид — модель, правила построения которой или взаимосвязи между ее элементами утеряны при импорте из другой CAD­системы или намеренно скрыты дизайнером из коммерческих соображений. В таких случаях синхронная технология одновременно измеряет геометрию модели и правила, по которой она строится, используя собственный движок. Математика от Siemens PLM Software автоматически вычисляет общие ограничения и исполняет типичные команды, которые нужно выполнить, чтобы отредактировать объект. Синхронная технология реализована в виде программного слоя, внедренного в ядро передовых платформ моделирования D­Cubed и Parasolid. Отдельно стоит отметить, что ядром Parasolid по лицензии Siemens PLM Software пользуется целый ряд независимых производителей CAD­систем.

В Solid Edge с синхронной технологией конструктивные элементы не зависят друг от друга. Процедурные конструктивные элементы, например отверстия, поддерживают параметрическое редактирование, причем вносимые изменения не приводят к перестроению всей модели

В Solid Edge с синхронной технологией конструктивные элементы не зависят друг от друга. Процедурные конструктивные элементы, например отверстия, поддерживают параметрическое редактирование, причем вносимые изменения не приводят к перестроению всей модели

Область применения нового подхода к проектированию чрезвычайно широка — фактически место для синхронной технологии есть везде, где используются CAD­системы. В первую очередь, конечно, внутри самих производственных или конструкторских организаций и дизайн­бюро. Первые клиенты, побывавшие на демонстрациях возможностей синхронной технологии, не скрывают восторга в отношении ее перспектив. Джек Бикмэн (Jack Beeckman), руководитель проекта PLM компании Liebert (производит электрическое оборудование), отмечает: «Технология открывает новую эру в моделировании и позволяет инженеру обрести долгожданную возможность быть инженером. То есть  думать, “что” мы хотим от модели, а не “как” мы этого можем достичь».

Поскольку элементы модели не зависят друг от друга, Solid Edge с синхронной технологией хранит их в коллекциях, а не в линейном дереве. При этом становятся возможными сортировка, изменение порядка следования и группирование элементов независимо от последовательности их создания и без перестроения модели

Поскольку элементы модели не зависят друг от друга, Solid Edge с синхронной технологией хранит их в коллекциях, а не в линейном дереве. При этом становятся возможными сортировка, изменение порядка следования и группирование элементов независимо от последовательности их создания и без перестроения модели

Поскольку элементы модели не зависят друг от друга, Solid Edge с синхронной технологией хранит их в коллекциях, а не в линейном дереве. При этом становятся возможными сортировка, изменение порядка следования и группирование элементов независимо от последовательности их создания и без перестроения модели

Если смотреть на инновацию Siemens PLM Software с позиции ответственного директора предприятия по PLM, то получается, что синхронная технология ускоряет жизненный цикл интерактивного проектирования на всех его этапах, начиная от первоначального воплощения идеи в макете и заканчивая редактированием, проверкой и сдачей спецификаций в производство. Будь то запланированное заранее изменение или срочная и неожиданная переделка — процесс займет секунды вместо требовавшихся ранее часов. Все изменения при синхронном моделировании объекта происходят в реальном времени, результат виден сразу. Если такой подход непривычен, то напоминаем, что синхронная технология не заменяет, а сосуществует с традиционным параметрическим подходом. То есть в любой момент конструктор может вернуться к редактированию дизайна привычными методами. Более того, благодаря удобству использования синхронной технологии оснащенные ею CAD­системы становятся незаменимыми на финальной стадии моделирования, когда конструкторы собирают в единое целое сложные модели, созданные в разных системах CAD. И наоборот: благодаря относительной простоте применения синхронная технология позволяет расширить круг пользователей CAD­систем, быстрее вести подготовку инженерных кадров и включать их в производственный процесс еще на этапе обучения.

Инструменты Solid Edge типа Схватить и перетащить (Grab and Go) отображаются на выбранной геометрии и обеспечивают мгновенное создание модели из 2D-области или из существующей геометрии

Инструменты Solid Edge типа Схватить и перетащить (Grab and Go) отображаются на выбранной геометрии и обеспечивают мгновенное создание модели из 2D-области или из существующей геометрии

Импортированная модель, не разделенная на конструктивные элементы. Хотя отверстие под вал образовано несколькими гранями, технология текущих правил в ходе всех операций редактирования сохраняет замысел конструктора, даже несмотря на то, что была выбрана лишь одна грань. Технология текущих правил выявляет и сохраняет геометрию, непосредственно связанную с отверстием

Импортированная модель, не разделенная на конструктивные элементы. Хотя отверстие под вал образовано несколькими гранями, технология текущих правил в ходе всех операций редактирования сохраняет замысел конструктора, даже несмотря на то, что была выбрана лишь одна грань. Технология текущих правил выявляет и сохраняет геометрию, непосредственно связанную с отверстием

В начало В начало

Влияние на производство

Рост производительности труда приводит к переосмыслению всего процесса проектирования. Одна из наиболее полезных и востребованных проектными организациями возможностей — быстрое изменение конструкции вида «а что будет, если…», необходимое при выборе наилучшего конструктивного решения. В обычных параметрических САПР с деревом построения редактировать модели довольно затруднительно, это требует от конструктора полного понимания всей последовательности построения, чтобы определить, в каком месте последовательности вносить изменения, да еще и предсказать, какие побочные эффекты при этом могут возникнуть. Данная конструктивная проблема обычно требует от пользователя отметить места пересечения и далее возвратить изображение автору модели для поиска путей ее решения. При использовании синхронной технологии проверяющий, создавая необходимые разрезы, может сразу же внести в конструкцию необходимые поправки.

Ленточное меню Solid Edge с синхронной технологией и экран Microsoft Word Office 2007. Для полного соответствия данный интерфейс приобретен по лицензии у Microsoft

Ленточное меню Solid Edge с синхронной технологией и экран Microsoft Word Office 2007. Для полного соответствия данный интерфейс приобретен по лицензии у Microsoft

Мощные инструменты выбора в Solid Edge позволяют искать элементы геометрии по их функциям. Даже если модель не разделена на элементы, инструмент Управляемый выбор (Selection Manage) находит участки геометрии, похожие на ребра жесткости, выступы или вырезы, а также те участки, которые параллельны, перпендикулярны либо имеют равные радиусы. Выбранную геометрию можно сохранить в пользовательском элементе или библиотеке

Мощные инструменты выбора в Solid Edge позволяют искать элементы геометрии по их функциям. Даже если модель не разделена на элементы, инструмент Управляемый выбор (Selection Manage) находит участки геометрии, похожие на ребра жесткости, выступы или вырезы, а также те участки, которые параллельны, перпендикулярны либо имеют равные радиусы. Выбранную геометрию можно сохранить в пользовательском элементе или библиотеке

Верхние грани этой инструментальной оправки нужно сделать выше. Когда непосредственно выбрана одна грань, технология текущих правил в Solid Edge выявляет и сохраняет прочие грани, лежащие в той же плоскости, чтобы все они перемещались вместе. Расширенные возможности команды перемещения позволяют зафиксировать размер грани при повороте смежных граней. Такой вариант особенно полезен при необходимости фиксации размеров граней монтажных отверстий или сопрягаемых поверхностей разных деталей

Верхние грани этой инструментальной оправки нужно сделать выше. Когда непосредственно выбрана одна грань, технология текущих правил в Solid Edge выявляет и сохраняет прочие грани, лежащие в той же плоскости, чтобы все они перемещались вместе. Расширенные возможности команды перемещения позволяют зафиксировать размер грани при повороте смежных граней. Такой вариант особенно полезен при необходимости фиксации размеров граней монтажных отверстий или сопрягаемых поверхностей разных деталей

На данном рисунке показано, каким образом пользователи могут переместить установочное отверстие (показано синим), а Solid Edge отследит изменение геометрии остальной части модели. Редактирование выполняется в нескольких направлениях, однако технология текущих правил сохраняет все взаимосвязи касательности, соосности и компланарности. Подобное редактирование в системах с деревом построения невозможно

На данном рисунке показано, каким образом пользователи могут переместить установочное отверстие (показано синим), а Solid Edge отследит изменение геометрии остальной части модели. Редактирование выполняется в нескольких направлениях, однако технология текущих правил сохраняет все взаимосвязи касательности, соосности и компланарности. Подобное редактирование в системах с деревом построения невозможно

Понятно, что на этапе выхода на рынок программные продукты, в которых применяется синхронная технология, будут вызывать не только интерес, но и множество вопросов. Однако вспомним, что и в 80­х годах, когда впервые было представлено параметрическое моделирование, рынку потребовалось время, чтобы по­настоящему оценить и полюбить такой подход к дизайну. Способность синхронной технологии в реальном времени распознавать существующие в твердотельной модели геометрические взаимосвязи сочетается с задаваемыми пользователем взаимосвязями и параметрическими размерами, что обеспечивает плавный переход пользователей  к применению всех преимуществ нового подхода. Так что революционные меры для освоения нового метода проектирования или переобучение персонала не понадобятся. И, тем не менее, пути назад как у индустрии САПР, так и у пользователей CAD­систем нет. С течением времени, благодаря очевидным конкурентным преимуществам, синхронная технология будет всё глубже проникать в недра конструкторских отделов.  

www.siemens.ru/plm

В начало В начало

САПР и графика 7`2011