Программный комплекс 3DTransVidia — качественная трансляция цифровой модели изделия

Александр Щеляев
Менеджер отдела вычислительной гидродинамики, ООО «ТЕСИС»

Данный материал является первым в цикле статей, посвященных проблемам трансляции CAD-моделей, как части дисциплины контроля качества цифровой модели изделия. В этих статьях будут затронуты различные аспекты работы с CAD-моделью, а также описаны современные мировые тенденции по развитию технологий цифрового документооборота на основе трехмерной геометрической модели изделия.

В настоящее время подавляющее большинство предприятий отечественной промышленности уже оснащены различными информационными инструментами для организации процесса конструирования и подготовки производства. Фактически, в промышленности произошла революция в технологическом укладе, касающаяся формы представления конструкторской документации с отказом от натурного формата документов (с проекционной основой представления обводов изделия) в пользу электронной формы документооборота (с трехмерным представлением обводов изделия). Поскольку после развала СССР в России не проводилась единая государственная промышленная политика и, де­факто, отсутствовала единая инстанция, в рамках которой могли бы разрабатываться и внедряться методики по использованию электронного документо­оборота, процесс освоения технологий цифрового конструирования и электронного документооборота принял неуправляемый характер. Промышленные предприятия проводили оснащение конструкторских и производственных подразделений на свое усмотрение, руководствуясь субъективными предпочтениями назначенных ответственных исполнителей, некими объективными факторами или исходя из опыта смежников. Результатом подобного подхода стало появление мультибрендовой среды PLM­инструментов как на уровне отрасли, так и внутри крупных предприятий, где разные подразделения используют различные информационные инструменты от разных поставщиков (что само по себе не является негативным).

Сегодня в России не существует формальных объективных методик выбора PLM­инструментов, а среди прочих критериев единственными работающими являются финансовый и законодательный. Финансовый критерий регламентирует стоимость внедрения и эксплуатации программного обеспечения (ПО), а законодательный — нормативные ограничения по использованию зарубежных инструментов (в зависимости от требований той или иной отрасли промышленности по информационной безопасности). Стоит отметить, что в части базовых функциональных возможностей представленные на рынке PLM­инструменты в виде различных CAD/CAE/CAM/CAI­систем имеют примерно одинаковую функциональную наполненность, независимо от того, зарубежный это продукт или отечественный. Последующее объединение промышленных предприятий России в корпорации привело к началу процесса унификации используемого ПО, который порой оказывался болезненным и неоднозначным в своих результатах, так как к его началу большая часть документации была уже оцифрована в формате той или иной CAD­системы.

В сложившихся условиях крайне актуальной становится необходимость корректной передачи данных из одной CAD­системы в другую. Разработчики CAD­систем всегда обеспечивали свои продукты небольшим джентльменским набором трансляторов, как минимум, для работы с нейтральными форматами, а также ограниченным функционалом в части чтения форматов конкурирующих CAD­систем. Однако данные опции всегда отличались неполноценностью работы из­за того, что возможность обеспечивать обмен данными не является приоритетной задачей для разработчика CAD­системы. Любой вендор в первую очередь стремится заполнить рынок своими решениями и бросает все силы своих разработчиков на развитие функционала CAD­системы в области построения и редактирования геометрической модели, а не на создание инструментов по качественному обмену данными. В подобной ситуации посредническую функцию по устранению барьеров между различными CAD­системами взяли на себя несколько компаний, которые предлагают инструменты трансляции цифровой модели изделия между различными CAD­системами. Одним из таких инструментов является программный комплекс 3DTransVidia, разработкой которого занимается российская компания ТЕСИС.

3DTransVidia

3DTransVidia — это программный комплекс, предназначенный для трансляции CAD­моделей между различными форматами с возможностью диагностики CAD­модели на предмет наличия ошибок и их исправления в автоматическом или ручном режимах.

Выделяют следующие причины появления ошибок в цифровых моделях:

1. Разная концепция представления геометрической точности. Старые системы характеризуются относительным методом определения точности представления геометрии и топологии. Величина точности зависит от габаритов всей детали или от текущего размера элемента детали. Это приводит к изменению точности модели, от случая к случаю, а также к потере твердотельного представления (с образованием зазоров между кромками соседних поверхностей) при чтении подобных моделей в современных CAD­системах, построенных на абсолютной точности представления линейных размеров, независимо от габарита изделия (рис. 1).

Рис. 1. Потеря твердотельного представления при трансляции
CAD-модели из CATIA V4 в CATIA V5

Рис. 2. Потеря в топологическом представлении при трансляции CAD-модели из CATIA V4 в CATIA V5

Аналогичная ситуация возникает и на уровне топологии геомет­рической модели, что приводит к изменению облика детали (рис. 2).

2. Различные концепции внутреннего представления многосложных тел — единое представление (manifold) и раздельное представление (non­manifold). В случае единого представления тело сложной формы представляется как единый объем пространства, ограниченный поверхностями, обрезанными друг по другу, с использованием топологии. В случае раздельного представления модели тело состоит из нескольких тел, стыкующихся друг с другом по соседним граням.

Топологией CAD­модели (упрощенное определение на примере представленного частного случая)называется набор каркасных кривых с учетом их взаимосвязей, которые образуются в результате пересечения поверхностей модели. По данным линиям пересечения выполняется обрезка всех поверхностей модели. Знание о топологии цифровой модели необходимо для быстрого построения геометрической модели в рамках концепции B­Rep (Boundary Representation), где в самой модели хранятся необрезанные образующие обводы поверхности (так называемое пространство геометрии) и топологическая модель в виде набора кривых и связей между ними (рис. 3).

Рис. 3. Геометрическое пространство модели (а); топологическое пространство модели (б); результирующая модель (в)

Рис. 4. Демонстрация различий в представлении цилиндрической поверхности при помощи разного инструментария 3DTransVidia: а — 15 256 контрольных точек, 1,7 Мбайт; б — 16 контрольных точек, 6 Кбайт

3. Некорректная реализация алгоритма трансляции CAD­форматов из­за порой неполной поддержки нейтральных форматов или вследствие закрытости «родных» форматов CAD­систем. Популярные нейтральные форматы IGES и STEP хоть и являются стандартами, но не требуют обязательного использования всего заложенного в них функционала и допускают частичную или двоякую интерпретацию данных, а следовательно, частичную реализацию в программных кодах. Если добавить к этому существование различных версий данных форматов, то в итоге мы можем получить некачественный результат при передаче CAD­модели с атрибутами через эти форматы. Например, поддержка PMI (Product Manufacturing Information) в формате STEP в «тяжелых» CAD­системах типа CATIA, UG NX или Pro/E появилась не сразу.

4. Нерегламентированные правила построения CAD­модели пользователем, которые могут вносить системные ошибки в геометрию и топологию CAD­модели, мигрирующие с этой CAD­моделью от формата к формату. Это наиболее существенный и часто встречающийся тип ошибок, которые зачастую можно эффективно исправить только путем перестроения исходной CAD­модели.

Рис. 5. Различия в качестве обработки поверхности в зависимости от представления CAD-модели: а — 33 поверхности; б — 127 поверхностей; в — высокое качество обработки; г — низкое качество обработки

5. Разная алгебраическая точность в реализации математических функций, применении полиномов различных степеней при описании поверхностей двойной кривизны, а также разное количество используемых контрольных точек в поверхностях любых типов (рис. 4). Вледствие избыточного количества контрольных узлов поверхностей увеличиваются накладные расходы в виде размера файла, объема памяти, арифметических затрат при работе с моделью, а в итоге — временные затраты.

Отсутствие поддержки высоких значений степеней полиномов приводит и к отсутствию поддержки работы с производными высоких порядков и к последующему разбиению исход­ной единой поверхности на множество малых в процессе трансляции. Это в дальнейшем отрицательным образом сказывается, например, на работе с подобными поверхностями в CAM­приложениях. Маршрут движения инструмента в CAM­системах зачастую строится, опираясь на границы поверхностей модели. Слишком частая сегментация поверхности приводит к слишком частому изменению направления движения инструмента, что сказывается на качестве обработанной поверхности в худшую сторону, а также к увеличению времени обработки поверхности (рис. 5). Данная ситуация наиболее характерна при передаче CAD­модели из систем на базе геометрического ядра Parasolid (требование непрерывности касательной (G1) в описании поверхности) в систему CATIA V5 (требование непрерывности кривизны (G2) в описании поверхности).

Встречающиеся на практике комбинации различных причин появления ошибок приводят к изменениям в описании геометрических обводов модели, а в конечном счете — к браку на производстве, временным и финансовым потерям (рис. 6).

Рис. 6. Результат пересечения двух цилиндров с образованием треугольных поверхностей малой размерности, приводящих к девиации в пределах точности

Таким образом, для корректной работы с CAD­моделями требуется использовать специальные инструменты, которые позволяют:

• транслировать CAD­модели между различными системами САПР с возможностью диагнос­тики и исправления обнаруженных ошибок;
• выполнять превентивную оценку качества цифровой модели как на уровне геометрии и топологии, так и на уровне атрибутов и PMI­объектов;
• проводить валидацию цифровой модели изделия для оценки качества трансляции.

Для обеспечения трансляции CAD­модели требуется предусмотреть передачу исходного (например, твердотельного) представления, а также гарантировать отсутствие внесения нерегламентированных изменений в геометричес­кие обводы изделия алгоритмом трансляции. Эти требования должны быть выполнены как на уровне твердотельной детали, сборки, так и на уровне поверхностной модели.

Разработчики 3DTransVidia предприняли ряд важных шагов на пути создания оптимального инструментария трансляции модели. Успешная трансляция базируется на трех принципах: правильное чтение исходной CAD­модели, правильная диагностика/исправление и правильное сохранение модели в другой CAD­формат.

Корректное чтение CAD­модели в программном комплексе 3DTransVidia гарантируется использованием оригинальных библиотек разработчиков коммерческих CAD­систем и геометрических ядер. Разработчики 3DTransVidia сотрудничают с основными игроками на рынке CAD­систем: обладают статусом SolidWorks Gold Certified Partner; лицензируют библиотеки SPATIAL от компании Dassault Systemes; принимают участие в дальнейшем развитии формата STEP в рамках консорциума PDES, Inc.; принимают участие в создании нового нейтрального формата QIF (Quality Information Framework) в рамках консорциума DMCS (Dimensional Metrology Standards Consortium); участвуют в работе консорциума 3DPDF; готовят к представлению поддержку формата JT oт компании Siemens. Отдельно следует отметить, что большую часть времени специалисты компании уделяют работе в вышеупомянутых консорциумах на испольнительном и техническом уровне и оказывают влияние на облик нейтральных форматов. Столь широкое сотрудничество обеспечило качественную поддержку следующих форматов в программном комплексе 3DTransVidia: CATIA V4, CATIA V5, ProE/Creo, UG NX, Inventor, SolidWorks, Solid Edge, STEP, IGES, ACIS, Parasolid, SAT, VDA­FS, VRML, STL. MESH, 3DXML и Adobe 3D PDF (рис. 7).

Рис. 7. Поддерживаемые форматы на чтение в 3DTransVidia

Работа с системой

После выбора формата файла на чтение пользователю предлагается задать величину геометрической точности, с помощью которой алгоритм будет анализировать геометрию и топологию импортируемой CAD­модели. Наличие глобального параметра геометрической точности, который впоследствии будет использоваться на всех этапах работы с моделью (чтение, анализ, исправление, запись), является концептуальной особенностью 3DTransVidia. Это в корне отличается от концепции работы CAD­систем, при которой на разных операциях построения допускается иметь различную геометрическую точность, что впоследствии может приводить к возникновению ошибок в геометрии при трансляции. Работа с определенной величиной геометрической точности означает, что в первую очередь инструмент предназначен для передачи геометрических обводов изделия и обеспечения их целостности (рис. 8).

Рис. 8. Выбор и задание геометрической точности
CAD-модели

На этапе открытия CAD­модели программный комплекс 3DTransVidia в автоматическом режиме проверяет ее на наличие ошибок и автоматически исправляет те ошибки, исправление которых не приводит к изменениям в модели за пределом заданной точности. Процесс диагностики и исправления геометрии и топологии в модели на этапе чтения полностью автоматизирован и базируется на накопленной в течение многих лет статистике по типам ошибок и методам их исправления. Те ошибки, исправление которых приводит к появлению изменений в поверхности за пределом заданной геометрической точности, сор­тируются по типу и передаются для дальнейшего анализа пользователю, который, ознакомившись с ними, принимает решение о дальнейших действиях — использовать автоматические или ручные инструменты исправления в ПО 3DTransVidia или вернуться в CAD­систему и с ее помощью устранить источник возникновения проблем в исходной CAD­модели (рис. 9).

Рис. 9. Дерево диагностики CAD-модели в 3DTransVidia

Все обнаруженные ошибки сор­тируются в Дереве диагностики по трем основным типам: Параметрические, Сеточные и PMI. В раздел Параметрические попадают ошибки, связанные с поверхностями CAD­модели, — плоскости, поверхности вращения и поверхности двойной кривизны, поверхности в аналитическом (каноническом) или NURBS­представлении; Сеточные — ошибки в сеточных объектах (поддерживается только работа с треугольной поверхностной сеткой); PMI — ошибки в аннотационных объектах.

Каждая ошибка в дереве диаг­ностики доступна к выделению с отражением ее характерных размеров и отображением в рабочей области экрана. Неоспоримым удобством в понимании природы появления ошибок является их визуализация непосредственно на CAD­модели. Любая ошибка может быть изолирована от целой модели, что упрощает навигацию по модели и делает доступ к проблемной зоне удобным, особенно для моделей со сложной геометрической пространственной конфигурацией. В процессе ручного исправления пользователь работает только с локальной областью вокруг дефекта, что существенно снижает требования к системным ресурсам для обработки. После ручного исправления ошибка исчезает из дерева диагностики.

Предлагаемый набор построения и редактирования геометрии и сетки не предназначен для дуб­лирования инструментов CAD­систем. Программный комплекс 3DTransVidia в первую очередь позиционируется как дополнение к уже существующим инструментам построения и редактирования геометрии в CAD­системах. Пользователь самостоятельно принимает решение о том, какие ошибки имеет смысл исправлять в CAD­системе, а какие — в 3DTransVidia. Имеющийся функционал позволяет работать на всех уровнях геометрической модели — с вершинами, кривыми, поверхностями и сборками — и создавать и редактировать модель таким образом, чтобы максимально облегчить пользователю работу с импортированной моделью, созданной в другой рабочей среде. Работа с моделью происходит только на уровне создания и перестроения отдельных кривых и поверхностей или групп, а не на уровне объектного твердотельного (B­Rep) геометрического моделирования (рис. 10).

Рис. 10. Построение цилиндрической поверхности по базовым контурам, состоящим из разного количества кривых

Базовый набор инструментов 3DTransVidia сформировался на основании опыта работы пользователей и нацелен на подготовку геометрической модели для дальнейшего применения в рамках сложившихся потребностей CAD/CAM/CAE/CAI­систем. Например, в числе прочих инструментов существует возможность перестроения NURBS­поверхностей с поиском близкого существующего канонического представления — плоские поверхности, тела вращения и прочее. Модель, перестроенная с помощью канонического описания поверхности, впоследствии существенно упрощает работу алгоритмам распознавания элементов построения (Feature Recognition), а также делает возможным редактирование детали с помощью инструментов прямого (вариационного) редактирования (рис. 11).

Рис. 11. Цветовое представление поверхностей детали по их типу (плоскость, вращение, вытягивание, линейчатая, эквидистанта, свободная форма, NURBS, сплайн)

Кроме того, существует возможность объединения нескольких поверхностей в единую, с сохранением отклонения в пределах не выше заданного допуска, что, например, может в будущем упростить создание управляющей программы в CAM­приложениях. В зависимости от ситуации может потребоваться получить твердотельное представление с отклонением от исходного описания и перестроить поверхность с незначительным отклонением по ее краям, а также изменить положение поверхности в пространстве внутри открытого контура оптимальным образом, чтобы успешно соединить ее кромки с кромками соседних поверхностей. Подобный подход применим, например, в области математического моделирования напряженно­деформированного состояния или течения жидкости или газа (рис. 12).

Рис. 12. Изменение описания поверхности вблизи ее кромок для соединения с соседней поверхностью в пределах заданной точности

После приведения модели в соответствие с требованиями качества предприятия или проекта, модель необходимо сохранить в требуемый формат. По сути, все CAD­форматы содержат одинаковую информацию о цифровой модели изделия, и различие между ними заключается только в структуре хранимых данных. Эта структура отвечает требованиям самой CAD­системы и зависит от ее математического аппарата, его ограничений, допущений и точности. Знание особенностей работы конкретной CAD­системы позволяет проводить сохранение геометрической модели в файл таким образом, что CAD­система впоследствии сможет интерпретировать прочитанную из файла информацию однозначным образом и полученные в итоге геомет­рические обводы модели будут лежать в заданном поле допусков. Подобного рода знания о внутренней структуре CAD­системы не являются публичными, и их можно получить только будучи разработчиком CAD­системы либо имея доступ к документации вендора. В процессе экспорта модели пользователю 3DTransVidia предоставляется возможность сохранять ее в предыдущие версии поддерживаемых на запись форматов, что частично может решить вопрос обратной совместимости файлов для разных версий одной и той же CAD­системы.

Работа со сборкой

При работе со сборкой изделия к требованиям на уровне геометрии и топологии добавляются требования по сохранности структуры сборки и ее атрибутов: имен деталей, массивов и иерархии сборки. Детали сборки можно либо хранить и передавать в одном файле, либо сохранять каждый файл по отдельности. Для удобства пользователя доступна опция пакетной трансляции массива файлов, когда система самостоятельно последовательно транслирует выбранные файлы из одного формата в другой с применением процедуры проверки и исправления в заданном объеме. По завершении работы пакетного транслятора пользователю предоставляется краткий отчет о результатах трансляции для каждого файла. Те детали, которые в процессе трансляции не удалось исправить, могут быть открыты в 3DTransVidia в обычном порядке для исправления. В пакетном режиме доступны все поддерживаемые 3DTransVidia форматы (рис. 13).

Рис. 13. Сохранение исходной структуры сборки и цветового представления

PMI и GD&T

Поддержка трансляции атрибутов и семантической информации становится все более актуальной в свете появления стандарта QIF, в котором реализуется окончательный отказ от бумажной документации в пользу цифрового производства, а именно развитие концепции MBD (Model Based Definition), которая сегодня активно продвигается на Западе как государственными структурами, так и промышленными игроками. Поддерживается передача цветового представления поверхностей модели, а также передача аннотационных объектов с их отображением в рабочем окне и доступом к редактированию их содержимого. Для форматов CATIA V5, UG NX и Proe/Creo доступна возможность чтения информации PMI и GD&T (Geometry Dimensions & Tolerance). Доступны также массово­инерционные характеристики деталей и информация о габаритах детали или сборки (рис. 14).

Рис. 14. PMI-информация в прочитанной CAD-модели

Архитектура и работа с PDM­системами

Архитектура программного комплекса 3DTransVidia позволяет гибко организовывать процесс трансляции геометрических данных. Во­первых, продукт может поставляться в варианте локальной лицензии, когда вся процедура полностью локализована на одном компьютере. Во­вторых, он может поставляться в клиент­серверной конфигурации, когда геометрический решатель устанавливается на удаленный высокопроизводительный сервер, обрабатывающий запросы с разных рабочих мест внутри организации. Это позволяет оптимизировать нагрузку на аппаратные мощности и разгрузить рабочие места.

Встроенный скриптовый язык и структура данных, построенная на базе XML­формата, позволяет достаточно легко интегрировать 3DTransVidia с PDM­системами или другими средствами, в которых требуется автоматизация процедуры трансляции данных, их диагностики и исправления, а также формирования отчета о результатах процедуры, в том числе в пакетном режиме.

Геометрический решатель поддерживает параллельные вычисления для систем с общей памятью, что позволяет ускорить процедуры обработки информации на современных многоядерных системах.

Лицензирование

Система лицензирования может выдавать лицензию на работу 3DTransVidia как в локальном режиме для одного рабочего места, так и в сетевом — в качестве плавающей сетевой лицензии. Лицензирование организовано по типам CAD­форматов на чтение и запись, а также по модулям программного комплекса 3DTransVidia. Система лицензирования 3DTransVidia не требует наличия на рабочем месте лицензий соответствующих CAD­систем и работает в абсолютно автономном режиме. Пользователю доступны все поддерживаемые разработчиками версии CAD­форматов.

Программный комплекс 3DTransVidia является флагманским продуктом в линейке геомет­рических инструментов, предлагаемых компанией ТЕСИС. Помимо выпуска «младших» продуктов, сделанных на базе 3DTransVidia (типа FormatWorks, KompasVidia, PDQWorks, MBDVidia и др.), разработчики 3DTransVidia активно продвигают свои решения на уровне программных компонентов. Благодаря модульности системы 3DTransVidia на уровне архитектуры разработчики могут гибко формировать функционал под конкретную задачу клиента и оформлять его в виде независимого приложения или встраиваемого модуля. 3DTransVidia продолжает активно развиваться, реагируя на встающие перед предприятиями проблемы в части цифрового документооборота.

Система имеет русскоязычный интерфейс, обладает русскоязычной документацией и технической поддержкой. Компания ТЕСИС предлагает внедрение системы, включая обучение и техническое сопровождение, а также реализацию специального функционала в области трансляции, диагностики и исправления цифровой модели изделия.

Для привлечения внимания к проблеме контроля качества цифровой модели изделия компания ТЕСИС совместно с кафедрой инженерной графики МАИ периодически организует семинары по трансляции CAD­моделей, которые проходят на территории Московского авиационного института. С информацией о новых версиях программного комплекса 3DTransVidia или о соответствующих семинарах можно ознакомиться на сайте компании ТЕСИС
(www.tesis.com.ru).

САПР и графика 6`2014