Работа с поверхностями в PowerSHAPE

Павель Ведмидь

Создание технологических поверхностей

Переопределение точек и смещение образующих

Вырождение радиусов и радиусы к кривой

Сшивка поверхностей

NURBS-лоскут

Сглаживание поверхностей

Повсеместное распространение систем моделирования, основанных на твердотельных операциях, обусловлено простотой и легкостью их освоения. Однако порой встречаются ситуации, когда работа с поверхностями дает лучший результат, а иногда это является единственным способом воплощения дизайнерской мысли без ее корректировки в сторону упрощения формы. В этой статье мы рассмотрим ряд примеров, иллюстрирующих сказанное.

Прежде всего следует сказать несколько слов о системе PowerSHAPE компании Delcam plc. CAD-cистема PowerSHAPE — это гибридный моделировщик, который бурно развивается в направлении создания специализированных приложений — для пресс-форм PS-Moldmaker (см. № 10'2001), для обуви PS-Shoemaker, для штампов (№ 9'2004), для раздувных форм бутылок. В последних версиях уже реализован функционал так называемого тотального моделирования (об этом впервые говорилось в № 10‘2002), при котором возможна работа не только с поверхностями и телами, но и с триангулированными данными (например, с рельефами), а также реализуется глобальная модификация модели с помощью морфинга. Все это значительно упрощает и ускоряет процесс моделирования. Однако в ряде случаев базовые возможности системы PowerSHAPE, основанные на работе с поверхностями, тоже не утратили своего значения.

Создание технологических поверхностей

При проектировании литейной формы для изделия «ручка» необходимо построить поверхности разъема. В простых случаях этот процесс автоматизирован, но иногда требуется ручная доработка. Линия разъема, созданная автоматически, показана на рис. 1 зеленым цветом.

Напомним, что линия разъ­ема — это линия перехода видимых частей модели в невидимые при взгляде в направлении предполагаемого разъема. В месте перехода тела вращения в собственно ручку такая линия неприемлема для изготовителя оснастки. Поэтому на этом участке строится новая линия разъема (показана на рис. 1 синим), которая является пространственной линией и получается путем привязки к удовлетворяющим нас участкам линии разъема. Эта линия не лежит на поверхности, но это и неважно на данном этапе, ибо в дальнейшем на этом участке придется добавлять поверхности уклона.

Из новой линии разъема на участке стыковки двух готовых поверх­ностей (показанных зеленым) строится поверхность вытяжки (рис. 2). При внимательном рассмотрении можно заметить, что поверхностью вытяжки являются только участки левее точки 2 и правее точки 3 (сама поверхность показана красным), а между ними имеется плавный переход. Здесь использована еще одна замечательная возможность PowerSHAPE — перемещение отдельных точек одной образующей (с сохранением касательности). В данном случае это было нужно, чтобы избежать пересечения поверхности вытяжки и тела вращения, формирующего участок ручки.

Далее от неиcпользованного участка линии разъема строим поверхность уклона с минимально допустимым углом (в данном случае 30”) и ограничиваем ее существующими поверхностями (на рис. 3 показано голубым цветом).

Для того чтобы на поверхности отливки не было ступеньки в районе разъема, с обратной стороны разъема также надо добавить дополнительную поверхность. Здесь автоматические методы также не годятся, так как вся поверхность уже имеет уклон. Мы построим поверхность по двум кривым (на рис. 4 показаны голубым цветом): одна уже есть и лежит на разъеме, а вторую мы построим произвольно, привязываясь к поверхности (в PowerSHAPE существует возможность привязки к любой произвольной точке поверхности, а не только к опорным точкам). Для образующей, лежащей на поверхности, выполним операцию «Сшивка» для обеспечения гладкости сопряжения (касательности).

Переопределение точек и смещение образующих

Рассмотрим одну ячейку конфетного коррекса (рис. 5). Для придания жесткости наклонная поверхность обычно выполняется зубчатой. Поскольку ребра жесткости являются еще и элементом дизайна, то расположим их равномерно. Для этого выполним переопределение точек для двух контуров (рис. 5 вверху; заметьте, что контуры имеют разную форму). Указанная функция переопределяет количество и позиции опорных точек, чтобы сохранить форму кривой. Далее одной командой выполним эквидистантное смещение продольных образующих через одну (рис. 5 внизу) — эта операция сохраняет прежние направления касательных в каждой точке. При желании полученные поперечные образующие можно тоже спрямить одной командой.

Переопределение точек возможно и для участка образующей. На рис. 6 показан набор сечений, с расположенными на них точками. Часто точки бывают заданы неравномерно. При создании поверхности обычно происходит автоматическое выравнивание числа точек, но могут быть негладкие участки. Ручное переопределение точек кривых таким образом, чтобы продольные образующие следовали вдоль перегиба поверхности, дает требуемый результат (рис. 7).

Вырождение радиусов и радиусы к кривой

На рис. 8 сиреневым цветом показан участок вырождения радиуса. В PowerSHAPE этот элемент делается в виде лоскута по границам существующих поверхностей с учетом касательности. Такое решение обычно дает лучший результат, чем при переменном радиусе, стремящемся к нулю.

На рис. 9 выделен участок поверхности скругления, который построен между поверхностью и кривой (кромкой). Соседний участок (показан розовым) — это скругление между двумя поверхностями.

Сшивка поверхностей

Еще одна операция, характерная только для поверхностного моделирования, — сшивка поверхностей, то есть выравнивание положения и касательных в точках одной поверхности относительно другой.

Следующие два рисунка показывают, как было выполнено утолщение на турбинной лопатке в твердотельном моделировщике (рис. 10) и как затем оно было перестроено в PowerSHAPE перед обработкой (рис. 11).

Сшивка может применяться и для создания гладких переходов на довольно большом участке. Для примера на рис. 12 изображен фрагмент поверхности корпуса миксера, а на рис. 13 представлен тот же фрагмент без обрезки поверхностей. Поверхность-лоскут, показанная серым цветом, обеспечивает гладкое сопряжение двух поверхностей в объеме. На чертеже такие сопряжения обычно никак не образмериваются — в лучшем случае в технических требованиях будет сказано что-то о гладкости, а чаще вообще ничего. Поэтому конкретное выполнение таких переходов многовариантно и, в принципе, является элементом дизайна.

NURBS-лоскут

Некоторые сопряжения на модели трудно описать набором радиусов, а в PowerSHAPE можно создать гладкое сопряжение по кромкам существующих поверхностей в виде NURBS-лоскута. На рис. 14 показана такая стадия создания модели, когда вся информация с чертежа задана. Здесь следует отметить, что работа с поверхностями освобождает пользователя от всех забот об обеспечении замкнутости объема материала, что позволяет отложить все неочевидные решения, а потом согласовать их одновременно в удобное время. На рис. 15 представлен один из вариантов реализации этого сопряжения с помощью NURBS-лоскута.

Сглаживание поверхностей

В связи с вышесказанным нельзя не упомянуть о сглаживании поверхностей (об этом уже говорилось в других статьях автора — см. № 11'2000 и 11'2001. Следует особо отметить актуальность указанной задачи для турбинных лопаток, причем гладкость поверхности в этом случае важна как для функционирования изделия, так и для более эффективной механической обработки. При программировании обработки лопаток целесообразно использование так называемых направляющих поверхностей, от качества которых напрямую зависит качество управляющих программ для станков с ЧПУ. Но это — тема отдельной статьи.

У компании Delcam имеется еще один инструмент сглаживания — интерактивное сглаживание, реализованное в программном продукте CopyCAD на сеточных моделях. Однако в связи с развитием нового подхода (тотального моделирования, о котором мы упомянули вначале) в дальнейшем возможны иные подходы к сглаживанию, но это тоже будет темой отдельной статьи.

«САПР и графика» 3'2005