11 - 2014

Валидация цифровой модели изделия

Александр Щеляев
Менеджер отдела вычислительной гидродинамики, ООО «ТЕСИС»

Современный технологический цикл производства основан на использовании трехмерного электронно­цифрового представления модели изделия. Описание геометрических обводов изделия является первичной информацией, описывающей объект и требования к качеству его изготовления. Следовательно, геометрические обводы изделия, методика их создания/построения и методика их передачи из одной рабочей среды в другую с сохранением целостности должны являться объектами пристального внимания со стороны контролирующих структур предприятия. Информационные инструменты по работе с CAD­моделью, используемые в промышленности, как и любой другой инструментарий, требуют постоянного контроля результата их применения, а также документирования процесса их использования в соответствии с требованиями системы менеджмента качества предприятия. Подобные требования на западном рынке сформулированы как на уровне международных стандартов серии ISO 9000, так и на уровне требований отдельных корпораций, например Boeing D6­51991. На практике это означает, что любые операции с CAD­моделью изделия должны заканчиваться валидацией CAD­модели с целью обнаружения нарушения целостности описания геометрических обводов изделия как на уровне геометрии и топологии (см. статью «Программный комплекс 3DTransVidia — качественная трансляция цифровой модели изделия» // САПР и графика. 2014. № 6), так и на уровне семантических объектов и атрибутов. Результат валидации должен быть задокументирован и сохранен для последующей работы по усовершенствованию рабочего процесса. Под операциями с CAD­моделью в первую очередь понимают трансляцию модели из одного формата в другой или ее передачу между различными программными продуктами, используемыми в производственной цепочке. Под валидацией понимают проверку качества CAD­модели на всех стадиях ее применения в рамках электронного документооборота внутри производственного цикла. Проверка осуществляется методом сравнения производной CAD­модели после трансляции (импорта) с оригинальной CAD­моделью, принятой в качестве эталона.

Рассмотрим методику проведения валидации CAD­модели на примере схемы взаимодействия корпорации Boeing со своими подрядчиками (смежниками) в рамках международной кооперации по производству пассажирских самолетов. Корпорация Boeing, как головное предприятие, в рамках кооперации отвечает за разработку нового самолета, изготовление наиболее ответственных агрегатов или узлов и окончательную сборку. Изготовление всех остальных деталей, узлов и агрегатов самолета осуществляют смежники корпорации, расположенные по всему миру. Корпорация Boeing при работе в гражданских проектах в качестве среды проектирования и поддержки жизненного цикла самолета использует программные продукты фирмы Dassault Systemes (в том числе CAD­систему CATIA различных версий и поколений). Все попытки навязать смежникам работу в аналогичных продуктах фирмы Dassault Systemes привели бы к росту себестоимости самолетов Boeing, так как смежники начали бы закладывать в себестоимость изделия издержки на покупку и техническое сопровождение недешевого программного обеспечения фирмы Dassault Systemes. Корпорация Boeing позволяет своим смежникам использовать в их работе любые программные продукты, которые им удобны и выгодны как с экономической точки зрения, так и с точки зрения технических возможностей. Однако, чтобы устранить возможные негативные последствия от работы в мультибрендовой CAD/CAM/CAE/CAI­среде, корпорация Boeing ввела в действие корпоративный стандарт D6­51991, который обязаны соблюдать все смежники. Данный стандарт регламентирует взаимодействие головной корпорации с соисполнителями в части контроля качества использования цифровых моделей изделий. Одновременно с этим на рынке появились программные продукты, которые позволяют автоматизировать процесс валидации и, в том числе, поддерживают стандарт D6­51991. Если смежник не может доказать головной корпорации, что он адекватно отслеживает качество цифровой модели изделия, полученной от Boeing, то он не допускается для работы в проектах Boeing. Требования Boeing являются жесткими, но они заставляют всех смежников вырабатывать организационные и технические меры по корректному использованию CAD­моделей для обеспечения гарантированного качества выпускаемой продукции. Стандарт Boeing D6­51991 гласит, что «смежник отвечает за трансляцию данных, используемых при изготовлении (в производстве) и при техническом контроле, и должен иметь ясный процесс документирования обоих этапов. Документированный процесс должен включать методику проверки точности трансляции» (рис. 1).

Рис. 1. Раздел стандарта Boeing D6-51991

Рис. 1. Раздел стандарта Boeing D6-51991

Рис. 2. Общий вид рабочего окна CompareVidia

Рис. 2. Общий вид рабочего окна CompareVidia

Одним из таких программных продуктов, который полностью поддерживает требования стандарта Boeing D6­51991, является CompareVidia (рис. 2).

Описание рабочего процесса

Программа CompareVidia выполняет проверку CAD­модели, полученной в результате трансляции (импорта), сравнивая ее с эталонной CAD­моделью. Программа CompareVidia позволяет выполнять проверку на трех различных уровнях:

  1. Глобальная проверка — проверка интегральных характеристик CAD­модели, например площади поверхностей, координат геометрического центра модели
    и т.п. Данный вид проверки является самым быстрым.
  2. Локальная проверка — поэлементная проверка таких геометрических примитивов CAD­модели, как точка­точка, ребро­ребро, поверхность­поверхность, тело­тело. Данный вид проверки занимает больше времени, так как требуется проверка большего массива данных. Однако это позволяет локализовать деформированное место в CAD­модели, что даст возможность выполнить анализ и найти причину изменения CAD­модели.
  3. Проверка атрибутов — вспомогательная проверка атрибутов CAD­модели, в том числе PMI­объектов.
  4. Подобная многоуровневая схема валидации позволяет гибко настроить процесс проверки для всех случаев — от крупногабаритных поверхностей панелей обшивки крыла до крупных сборок, состоящих из множества простых деталей.

Рис. 3. Типовая схема рабочего процесса валидации CAD-модели

Рис. 3. Типовая схема рабочего процесса валидации CAD-модели

Типовая схема рабочего процесса валидации представлена на рис. 3.

Эталонная модель, предварительно прошедшая проверку в корпорации Boeing, предоставляется смежнику в формате CATIA (без дерева построения) и дополнительно — в формате STEP. Смежник, получив модель, открывает ее в своих CAD/CAM/CAE/CAI­приложениях для выполнения соответствующих операций своего технологического цикла и сохраняет в формате STEP. После этого в программу CompareVidia загружается оригинальная CAD­модель и деривативная. Для этого в CompareVidia задаются критерии проверки и их численные параметры.

Рис. 4. Параметры глобальной проверки

Рис. 4. Параметры глобальной проверки

Рис. 5. Параметры локальной проверки

Рис. 5. Параметры локальной проверки

Рис. 6. Параметры проверки атрибутов

Рис. 6. Параметры проверки атрибутов

При использованииГлобальных проверок необходимо задать процентную точность проверки интегральных характеристик (рис. 4).

При использовании Локальных проверокнеобходимо задать линейную и угловую точность проверки (рис. 5).

При необходимости определить сохранность атрибутов или семантических объектов необходимо задать соответствующие параметры проверки (рис. 6).

Валидация CAD­модели под требования производства

Стандартные требования проверки геометрии CAD­модели до недавнего времени включали исключительно проверку геометрических обводов на соответствие заданной точности. Подобная методика долгое время успешно использовалась при подготовке модели к изготовлению, однако не позволяла отслеживать изменения топологии геометрической модели, которые могут происходить из­за отличия в реализации математических функций геометрического ядра той или иной CAD­системы. Например, система CATIA V4 имеет поддержку полиномов более высоких степеней по сравнению с современными CAD­системами. Следует отметить, что нарушение топологии CAD­модели, как правило, не приводит к нарушению описания геометрических обводов в пределах задаваемой точности, не искажает твердотельного описания, поэтому по формальным признаком это не является браком (рис. 7).

Рис. 7. Результат трансформации топологического описания CAD-модели

Рис. 7. Результат трансформации топологического описания CAD-модели

Однако при дальнейшем использовании подобной CAD­модели на производстве могут появиться проблемы, связанные со спецификой работы CAM­приложений. Например, значительная часть CAM­приложений строит маршрут движения обрабатывающего инструмента для станков с ЧПУ на основе характеристик поверхностей, из которых состоит CAD­модель обрабатываемой детали. В первую очередь алгоритм нацелен на приоритетное построение траектории движения инструмента вдоль длинных кромок обрабатываемой поверхности. Это позволяет реализовать установившийся режим обработки и достигать максимальной скорости движения инструмента. Границы поверхностей в CAD­модели определяются ее топологией, и если топология трансформировалась, то одна поверхность сегментируется на несколько поверхностей меньшего размера. В CAM­приложениях это приводит к перестроению траекторий движения инструмента и к увеличению количества участков, где инструмент меняет направление своего движения. В месте изменения направления движения меняется регулярность обработки поверхности, приводящая к изменению шероховатости поверхности (рис. 8), что эквивалентно получению брака на производстве.

Рис. 8. Результат потери топологического описания CAD-модели

Рис. 8. Результат потери топологического описания CAD-модели

В подобной ситуации оказался один из подрядчиков Boeing — компания Triumph Interiors, которая отвечает за производство рам для иллюминаторов пассажирского лайнера. Математическая модель рамы от Boeing прошла полную валидацию и удовлетворяла геометрическим требованиям качества. Полный комплект рам для иллюминаторов на весь самолет был изготовлен и отправлен заказчику. Однако вся партия вернулась как забракованная. Анализ показал, что валидация CAD­модели не затрагивала проверку топологии. При этом в процессе чтения CAD­модели в CAM­приложение топология модели трансформировалась, что и привело к изменению в режимах обработки на станке (рис. 9). Таким образом, более полная валидация позволила найти источник проблемы, устранить брак в производстве, а компании Triumph Interiors остаться в проекте Boeing.

Рис. 9. Изменение в топологии обрабатываемой поверхности

Рис. 9. Изменение в топологии обрабатываемой поверхности

Необходимо отметить, что в итоге сама корпорация Boeing пришла к решению ужесточить критерии проверки CAD­модели и в обязательном порядке проверять целостность топологии. Отклонение от этого требования допускается только в исключительных случаях и с оговоркой, что результат не повлияет на качество продукции.

Другой важной возможностью для производства является проверка целостности PMI­объектов — как в векторном представлении, где текстовые символы представлены как набор полилиний, так и в символьном представлении, с редактируемым текстом. Отдельно проверяется целостность семантических связей, то есть связь PMI­объекта с поверхностью CAD­модели (рис. 10).

Рис. 10. Валидация PMI-данных

Рис. 10. Валидация PMI-данных

Валидация модели под требования технического контроля

Современный процесс контроля качества изготовления продукции также опирается на использование CAD­модели. Выполненные средствами стационарных или мобильных координатно­измерительных машин (КИМ) замеры конкретных деталей предоставляют массив контрольных точек, которые в CAI­приложениях (Computer Aided Inspection) накладываются на эталонную CAD­модель, а затем строится карта отклонений между реальным изделием и его математической моделью. При этом необходимо понимать, что CAI­приложение также построено на базе какого­то геометрического ядра, а значит, всегда следует проверять, что импортированная в это приложение CAD­модель не претерпела никаких деформаций.

Рис. 11. Результат сравнения параметрической и сеточной модели

Рис. 11. Результат сравнения параметрической и сеточной модели

С точки зрения валидации данных на этапе метрологического контроля значительное удобство работы и скорость ее проведения привносят следующие возможности программы CompareVidia:

  • поддержка работы с парамет­рическими NURBS­моделями, STL­сетками и облаками точек (рис. 11);
  • автоматическое базирование сравниваемых моделей в единой системе координат.

Документирование процесса валидации модели

В соответствии с требованиями современных стандартов качества процесс валидации CAD­модели должен быть задокументирован для последующего возможного расследования причин появления ошибок в геометрическом или топологическом описании CAD­модели.

В программном комплексе CompareVidia результаты валидации автоматически оформляются в виде отчета с приведением всей статистики сравниваемых моделей, количества ошибок, их типов, расположения ошибок на модели, их численных характеристик и т.д. Глубина представленной в отчете информации может быть настроена пользователем. Отчет может быть сохранен в форматы 2D/3D PDF, HTML или TXT и распечатан для подписания ответственным лицом (рис. 12).

Рис. 12. Форма отчета с результатами сравнения

Рис. 12. Форма отчета с результатами сравнения

Методика проверки точности валидации CAD­модели

CompareVidia является программным комплексом, который, в том числе, оценивает качество CAD­модели во время валидации. По­этому совершенно логично можно задаться вопросом о методике проверки точности валидации с помощью CompareVidia.

В качестве методики оценки точности работы CompareVidia компанией ASCO, одним из поставщиков Boeing и Airbus, был предложен сравнительный подход, где проверяется эталонная модель, содержащая заведомо внесенные в нее отклонения (изменение линейных парамет­ров элементов построения, изменение углового положения, смещение центров отверстий и пр.). В результате валидации «дефектной» модели с помощью программы CompareVidia были обнаружены все заложенные в модель ошибки с точным определением их численных характеристик (рис. 13).

Рис. 13. Отчет о проверке точности работы CompareVidia

Рис. 13. Отчет о проверке точности работы CompareVidia

Рис. 14. Поддерживаемые форматы в CompareVidia

Рис. 14. Поддерживаемые форматы в CompareVidia

Рис. 15. Выбор и задание геометрической точности CAD-модели

Рис. 15. Выбор и задание геометрической точности CAD-модели

Программа CompareVidia поддерживает следующие форматы: CATIA V4, CATIA V5, ProE/Creo, UG NX, Inventor, SolidWorks, Solid Edge, JT, STEP, IGES, ACIS, Parasolid, SAT, VDA­FS, VRML, STL, MESH, QIF, 3DXML и Adobe 3D PDF (рис. 14).

Как и все продукты, предлагаемые компанией ТЕСИС в области контроля качества цифровой модели, CompareVidia также допускает выбор точности и единиц измерения при открытии сравниваемых моделей (рис. 15).

Работа со сборкой

Работа со сборкой позволяет выполнять все операции, которые доступны на уровне отдельной детали, а также проверять целостность сборочного документа: наличие или отсутствие отдельных деталей; изменение в конструктивном описании деталей; контроль структуры сборки.

Архитектура и работа с PDM­системами

Архитектура программного комплекса CompareVidia базируется на модульном описании и поддержке скриптового языка на базе XML. Это позволяет интегрировать CompareVidia в рабочий цикл документооборота предприятия, где проверку деталей и создание отчетности можно автоматизировать на любом уровне. Существует возможность пакетной обработки массива файлов.

Лицензирование

Система лицензирования может выдавать лицензию на работу CompareVidia как в локальном режиме для одного рабочего места, так и в сетевом — как плавающую сетевую лицензию. Лицензирование организовано по типам CAD­форматов на чтение и запись, а также по возможности пакетной трансляции и использованию режима работы Track Engineering Changes (TEC), для локализации мест обнаружения ошибок на модели без количественной оценки ошибки.

Система лицензирования CompareVidia не требует наличия на рабочем месте лицензий соответствующих CAD­систем и работает исключительно в автономном режиме. Пользователю доступны все поддерживаемые разработчиками версии CAD­форматов.

Программный комплекс CompareVidia является одним из флагманских продуктов в линейке геометрических инструментов, предлагаемых компанией ТЕСИС. Система обладает русскоязычным интерфейсом, русскоязычной документацией и технической поддержкой. Компания ТЕСИС предлагает внедрение системы, включая обучение и техническое сопровождение. С информацией о новых версиях программного комплекса CompareVidia можно ознакомиться на сайте компании ТЕСИС
(www.tesis.com.ru). 

САПР и графика 11`2014