2 - 2002

Выбор геометрического моделировщика

Константин Евченко

В данной статье речь пойдет исключительно о выборе системы трехмерного геометрического моделирования. А как же оформление конструкторской документации и вообще вся цепочка автоматизированного проектирования? — спросите вы. Отвечу: мозг человека составляет всего около 5% от веса тела. Так и геометрическое ядро САПР полностью определяет, на что способна система в целом. Конечно, создание трехмерной модели занимает значительно меньше времени, чем оформление сопутствующей документации. Но если ваша САПР не сможет построить нужную вам геометрию, то что вы будете оформлять? Применительно к CAD/CAM можно утверждать, что бытие определяет сознание, а сознание определяет выбор САПР.

Если на вашем предприятии вполне успешно эксплуатируются «электронные кульманы» и их возможностей вам вполне достаточно, это значит, что, несмотря на использование традиционных методов проектирования, ваша продукция конкурентоспособна (или находит потребителей) и вам можно только позавидовать. Мировой опыт показывает, что будущее за трехмерным моделированием, и этот вопрос уже не требует обсуждения.

Первые системы трехмерного геометрического моделирования использовали каркасное представление геометрии. Сразу вслед за каркасно-точечным появилось триангуляционное представление поверхностей, до сих пор с успехом используемое в компьютерной анимации и графическом языке программирования Open GL. Появление методов математического задания сложных поверхностей позволило строить линии их пересечения и сшивать из поверхностей трехмерные модели. Затем появилось твердотельное моделирование, при котором все составляющие тело поверхности сшиты друг с другом с определенной точностью и образуют правильный замкнутый геометрический объем. Так на свет появились тяжелые САПР.

Следует отметить, что твердотельное моделирование позволяло не только существенно сократить время моделирования, но и точно определять массово-инерционные характеристики моделей, что было особенно ценно для аэрокосмической промышленности, где принципиален вес изделий. Но самое главное — твердотельное представление модели позволило создать процедуры работы со сборками.

Одно время твердотельное моделирование предлагалось как панацея от всех бед, и некоторые разработчики даже попытались обойтись без поверхностного моделирования. Приверженцы твердотельного моделирования утверждали, что любой объект можно представить с заданной точностью твердотельной моделью. Однако вскоре выяснилось, что иногда не так уж просто смоделировать реальные объекты методами твердотельного проектирования. Как известно, старый друг — лучше новых двух. Зачастую твердотельную модель гораздо проще получить методами поверхностного моделирования.

В современных системах геометрического моделирования используется как поверхностное, так и твердотельное моделирование. Многие системы поддерживают так называемое гибридное моделирование, когда в пространстве модели можно одновременно работать и с твердотельной моделью, и с поверхностями.

Особо стоит выделить системы/модули для дизайнерского моделирования сложных поверхностей, в которых можно свободно перемещать мышью характеристические точки NURBS-поверхностей. Такие модули (например, FreeStyle CATIA v5) в различной реализации есть в большинстве высокоуровневых САПР, правда стоят они немалых денег. Наиболее продвинутые из них позволяют строить справочные поверхности по облаку точек. Сегодня на рынке можно найти и относительно недорогие специализированные пакеты для дизайнеров, например Rhino компании Rhinoceros. Нужно сказать, возможности анимационного пакета 3D-MAX в области создания сложных поверхностей уступают специализированным CAD-системам. Поэтому будет лучше, если дизайнер сразу начнет работу в специализированном пакете.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили два геометрических ядра: ACIS и Parasolid. Особняком стоят системы CATIA и Pro/ENGINEER, использующие свой математический аппарат. При этом считается, что ядро ACIS больше ориентировано на поверхностное моделирование, а Parasolid — на твердотельное. В базовой функциональности эти ядра сейчас практически не применяются — разработчики сами дописывают требуемые им функции. На Parasolid базируются такие известные системы, как Unigraphics, Solid Edge и SolidWorks. На ACIS основаны многие специализированные CAM-системы. Типичными представителями в этом классе являются Cimatron и ADEM. Убежденным приверженцем ядра ACIS является AutoCAD. Исторически сложилось так, что на сегодняшний день CAD-системы на основе ядра Parasolid обладают большей функциональностью, чем системы на ACIS. Кроме того, Solid Edge и T-FLEX CAD и вовсе были переведены с ядра ACIS на Parasolid. Это было сделано в основном для совместимости с их «старшими братьями» — Unigraphics и I-DEAS. Однако сторонники ядра ACIS не сдаются, и новая версия Autodesk Inventor базируется именно на нем.

Основными потребителями высокоуровневых решений всегда были и остаются аэрокосмическая, автомобильная и судостроительная промышленность, для которых характерно использование листовых деталей. Моделирование листовых деталей твердотельной геометрией не всегда возможно и целесообразно, ведь для этого требуется как минимум в два раза больший объем оперативной памяти компьютера (верхняя/нижняя плюс боковые поверхности вместо одной). Поэтому высокоуровневые САПР на равных работают с твердотельным и поверхностным представлением модели. Поставщики тяжелых САПР утверждают, что выбор высокоуровневой системы — исключительно политическое решение. Действительно, функциональность высокоуровневых систем схожа, хотя это утверждение очень легко оспорить.

Но что делать, если предприятие не может заплатить 20-100 тыс. долл. за одно тяжелое рабочее место? Мы, конечно, не призываем идти на пиратский рынок программ — можно взять САПР и попроще. Только сначала нужно четко уяснить, что именно вам нужно — поверхностное или твердотельное моделирование. Так что перед потенциальным пользователем САПР встает сложная проблема выбора системы.

Некоторые российские предприятия содержат целые «зоопарки» САПР, лицензионных и не очень. Но наибольшего эффекта можно достичь только при использовании интегрированных САПР. Это вам скажет любой поставщик CAD-систем. Но высокоуровневые САПР, охватывающие весь спектр производственных задач, очень дороги. Как быть? Так появляются бюджетные решения, которые компании-реселлеры называют «оптимальными по ценовому критерию», когда на одну дорогую приходятся несколько систем подешевле. Однако здесь необходимо отметить, что корректный обмен сложной трехмерной геометрией между системами с различными геометрическими ядрами практически невозможен. При этом не только теряется параметрическая ассоциативность, но и «портится» геометрия. Хорошо преобразуются только плоские, линейчатые, конические, цилиндрические, тороидальные и сферические поверхности. С NURBS-геометрией при конвертировании начинают твориться «чудеса». Типичный пример — системы CATIA и Unigraphics, имеющие разный математический аппарат. На уровне примитивных «болванок» экспорт/импорт проходит прекрасно. А аэродинамические обводы передать если и удается, то работать потом с ними крайне сложно, и в этом вина не только форматов IGES или STEP. С системами, построенными на ядре Parasolid, все несколько проще: при конвертировании теряется только ассоциативность и параметризация. При этом параметрическая модель превращается в «болванку», которую становится крайне сложно редактировать. Если предположить, что вам удалось правильно передать сложную геометрию модели из системы в систему (после того как вы научитесь управлять точностью представления данных, что пользователю разрешается не во всех системах), вы все равно потеряете всю историю построения модели и взаимосвязи в сборке. Не уповайте на возможности функции распознавания геометрических элементов: даже если система автоматически сможет распознать все элементы модели, восстановленная история построения модели наверняка не совпадет с исходной.

Важно отметить, что при проектировании технологической оснастки (пресс-форм, матриц и т.п.) возникает проблема построения литейных уклонов и сложных переходов поверхностей, поэтому специализированные CAM-системы с возможностью 5-координатной механообработки работают с NURBS-представлением поверхностей и имеют очень хороший геометрический моделировщик. Для таких систем важно в любой точке поверхности помимо декартовых координат уметь находить нормаль к поверхности (два угла). Заметим, что некоторые CAM-системы для 2,5- и 3-осевого фрезерования при расчете траектории инструмента в качестве основы используют аппроксимацию поверхностей на основе обычной триангуляции.

Поверхностное моделирование в большинстве случаев более трудоемко, чем твердотельное. По этой причине практически все специализированные CAM-системы для 5-осевой механообработки хотя и имеют мощный геометрический моделировщик, могут импортировать геометрию в таких популярных форматах, как SAT, IGES, STEP и Parasolid. Поэтому важно, чтобы разработчик CAD-системы уделял должное внимание функциям экспорта/импорта, чтобы вы смогли передать свою модель в CAM-систему. Желательно, чтобы в полном объеме поддерживались форматы IGES и STEP. Широкое распространение заслуженно получили форматы STEP AP203 и AP214.

Из всего вышесказанного следует вывод: если ваши основные партнеры с успехом используют, например, Pro/ENGINEER, то покупать САПР на другом ядре едва ли целесообразно.

Если вы решили, что возможностей САПР среднего уровня вам будет достаточно, то как выбрать наиболее подходящую? Лучше всего взять несколько систем в опытную эксплуатацию, причем обязательно с обучением. Принцип «хочу как у соседа» лучше забыть.

К сожалению, формирование критериев выбора CAD-систем оказалось не столько сложным, сколько неблагодарным занятием. Дело в том, что сегодня многие поставщики САПР (и не только в России) работают по формуле «лишь бы продать» и уже потом начинают объяснять заказчику, что и почему у него не получается. В результате выясняется, что либо компьютер у заказчика «не вполне IBM PC-совместимый», либо вообще «гранаты у него не той системы»...

Сегодня практически любая САПР величается трехмерной параметрической и ассоциативной. Но знайте, реализация параметризации, например в Pro/ENGINEER, сильно отличается от таковой в недорогих CAD-системах, предназначенных в основном для оформления КД. К сожалению, некоторые компании сознательно морочат голову потенциальным заказчикам, обещая им «новые горизонты производительности труда» и тому подобные достижения.

В декабре прошлого года редакция журнала «САПР и графика» обратилась ко всем российским компаниям, занимающимся продвижением САПР на рынке, с предложением совместно выработать комплекс тестов, характеризующий возможности геометрических моделировщиков. В качестве примера тестовых заданий мы предложили несколько сложных геометрических построений. Реакция большинства компаний была, мягко говоря, сдержанной...

На общем фоне нас очень порадовала позиция компании «Делкам-Урал» (Екатеринбург) в лице ее технического директора, к.т.н., Владимира Власова. Приводим выдержки из его письма: «Нам понравилась ваша идея проведения тестирования CAD-систем. Конечно, каждая система имеет свою область применения, и, может быть, системам для проектирования сборок необязательно иметь изощренные функции систем поверхностного моделирования для проектирования видовых поверхностей, и наоборот, но идея формирования тестовых примеров интересна сама по себе. Я думаю, каждый пользователь сталкивался в своей практике с нестандартными задачами, и, если собрать их в какой-то сборник тестов, мы получим интересный инструмент анализа возможностей систем геометрического моделирования. Кстати, именно здесь можно будет понять, где хороши твердотельные моделировщики, а где — поверхностные. Мы со своей стороны предлагаем простые задачи в дополнение к тестам. Мы постарались подобрать задачи в стиле предложенных тестов — не громоздкие, но отражающие некоторые возможности систем. Все они пришли из практики».

Сразу оговоримся, что приведенные ниже примеры не могут в полной мере охарактеризовать возможности геометрического моделировщика и тем более САПР в целом, однако они могут дать некую качественную оценку «интеллектуальных» возможностей CAD-системы.

Пример 1. Построение скругления внутреннего угла.

Еще год назад на этой задаче «спотыкалась» одна очень известная САПР. Обратите внимание, что построение требует использования скругления переменным радиусом двойной кривизны. Кривизна поверхности показана на рисунке цветовой палитрой. Задача может быть решена методами как твердотельного (слева), так и поверхностного (справа) моделирования. При поверхностном моделировании геометрией можно управлять.

Пример 2. Построение скругления с сохранением кромки/поверхности в зоне пересечения цилиндра с плоскостью. Твердотельное и поверхностное моделирование.

Возможно, геометрию придется строить неявным образом, используя операции «отсечь».

Пример 3. Построение скругления и участка вырождения постоянного радиуса (верхняя и нижняя кромки выделенной поверхности — плоские).

Поверхностное моделирование. Тест предложен компанией «Делкам-Урал».

Пример 4. Построение переходного скругления между пересекающимися тороидальными поверхностями. Твердотельное и поверхностное моделирование.

Обратите внимание на сложную форму переходной поверхности (показана синим цветом). Твердотельное и поверхностное моделирование.

Пример 5. Построение гладкого перехода выпуклых и вогнутых радиусов (на рисунке показана визуализация изофотами).

Оцениваются возможность выполнения процедуры и качество участка в месте перехода радиусов. Тест предложен компанией «Делкам-Урал».

Пример 6. Построение тела, состоящего их трех цилиндрических элементов, оси которых пересекаются в одной точке.

Твердотельное и поверхностное моделирование.

Пример 7. Построение линии и поверхности разъема вдоль заданной оси. Предлагается использовать эллипсоид вращения.

Далеко не все геометрические моделировщики позволяют построить линию и поверхность разъема. Гибридное и поверхностное моделирование.

Пример 8. Построение элемента типа «усиление на цилиндре».

Обратите внимание на крайне сложную геометрию переходной поверхности (выделена красным цветом). Гибридное и поверхностное моделирование.

Пример 9. Построение правильного твердотельного додекаэдра.

Методами твердотельного моделирования построить додекаэдр сложно. Гораздо проще сформировать его набором поверхностей, однако накопление погрешностей может помешать сшить поверхности в твердое тело. Поверхностное моделирование.

Пример 10. Построение переходного элемента между двумя цилиндрическими участками. Толщина детали должна быть постоянна.

Оценивается возможность создания твердого тела путем придания толщины поверхности. Поверхностное моделирование.

Пример 11. Построение скругления между двумя непересекающимися торическими поверхностями.

Поверхностное моделирование. Решение задачи предоставила только компания «Делкам-Урал». Использовался PowerSHAPE (Delcam plc). Браво!

Пример 12. Построение твердого тела со сложным переходом поверхностей.

Твердотельное и поверхностное моделирование.

Пример 13. Построение оболочек на основе сложных поверхностей.

При поверхностном и твердотельном моделировании последовательность действий будет различной.

Пример 14. Построение литейных уклонов. В основании лежат прямые, дуги, окружности и сегменты эллипса.

Твердотельное и поверхностное моделирование.

Пример 15. Построение литейных уклонов от пространственной линии.

Оцениваются возможность и простота выполнения процедуры. Тест предложен компанией «Делкам-Урал».

Пример 16. Построение кармана или выступа, стенки которого расположены по нормали к поверхности.

Оценивается возможность выполнения процедуры. Тест предложен компанией «Делкам-Урал».

Пример 17. Построение по развертке торцевого кулачка заданного диаметра.

Оценивается возможность выполнения процедуры. Тест предложен компанией «Делкам-Урал».

Пример 18. Построение кругового/линейного массива однотипных элементов.

Оцениваются быстрота выполнения операции (на однотипном оборудовании) и, как следствие, эффективность программного кода системы. Твердотельное моделирование.

В заключение еще раз отметим, что предложенная методика позволяет в некоторой степени определить уровень интеллекта CAD-системы, но при этом совершенно не затрагивает вопросы удобства работы с системой, ее стоимости, быстроты освоения, многих функциональных возможностей, а также другие аспекты.

Предлагаем читателям поделиться опытом работы со сложной геометрией. Свои идеи просим высылать по e-mail: ekg@aha.ru. 

«САПР и графика» 2'2002