Новые решения Autodesk для машиностроения

Валентин Ткачев Валерий Локтев

Предпосылки разработки

Что такое адаптивная технология?

Аппаратные требования

Как уже не раз отмечалось, 1999 год ознаменовался для компании Autodesk выпуском нескольких совместимых друг с другом программных продуктов, построенных на ядре AutoCAD 2000 и предназначенных для конструкторов-машиностроителей. Это AutoCAD Mechanical 2000/Power Pack и Mechanical Desktop 4/Power Pack, с возможностями которых наш читатель уже знаком. Но не только упомянутые продукты расширили проникновение Autodesk на рынок MCAD. Компания Autodesk, Inc., демонстрируя свое лидерство в области САПР, в том же 1999 году выпустила в свет новую систему трехмерного моделирования — Autodesk Inventor, представляющую собой принципиально новую платформу для машиностроительного проектирования следующего тысячелетия на основе новой прогрессивной адаптивной технологии (New Innovative Adaptive Technology Design), которая позволяет инженерам машиностроительного профиля проектировать естественным для себя способом, то есть именно так, как они привыкли думать. На первый взгляд могло показаться, что в этом нет логики: ведь только что вышла в свет четвертая версия прекрасного программного продукта для трехмерного параметрического моделирования — Mechanical Desktop. Да и внешне новый Inventor чем-то напоминал известную программу SolidWorks. Но это первое впечатление оказалось обманчивым. Во всем мире была развернута программа глубокого тестирования Autodesk Inventor R1 авторизованными партнерами Autodesk и некоторыми его крупными клиентами. Компания EMT — Авторизованный системный центр Autodesk в области машиностроения — провела всестороннее тестирование на реальных задачах, полученных от потенциальных заказчиков. Поэтому мы искренне хотели бы поделиться с читателями нашего журнала своими первыми впечатлениями о новом продукте — Autodesk Inventor.

Предпосылки разработки

Еще три года назад компания Autodesk предприняла попытку определить сильные и слабые стороны всех известных систем трехмерного моделирования с тем, чтобы оценить возможность создания моделирующей системы нового поколения. Было опрошено большое количество пользователей различных программных продуктов, используемых для создания трехмерных моделей на персональных компьютерах. В течение трех лет шла разработка новой системы. Технологии MCAD развиваются быстрыми темпами. Как и в любых других областях, программные продукты развиваются эволюционно, плавно до тех пор, пока не упираются в определенные ограничения, заложенные в основу программы. В этом случае дальнейшее развитие CAD-системы невозможно без революционных изменений в подходах к автоматизированному проектированию. Так, «революцией» стал в свое время переход к параметрическому и объектно-ориентированному моделированию. Меньший скачок произошел при создании вариационной технологии. Теперь благодаря разработкам Autodesk появилась новая революционная технология — адаптивное моделирование. Итак, Autodesk Inventor — новая трехмерная MCAD-система, основанная на инновационной адаптивной технологии, призванной служить основой при разработке программ MCAD в течение следующих десяти.

Что такое адаптивная технология?

Для того чтобы разобраться в этом, давайте рассмотрим несколько терминов:

• Параметрическая связь — связь, которая определяет конфигурацию объекта в терминах ранее созданных объектов. Например, элемент B параметрически определен как смещенный относительно объекта A. Если вы станете перемещать объект A, то переместится и объект B. Однако перемещать непосредственно объект В вы не можете (рис. 1).
• Вариационная связь — неориентированная связь между двумя или больше объектами. Порядок создания объектов не влияет на воздействия при редактировании. Например, объекты A и B определены как параллельные на определенном расстоянии друг от друга. Вы можете перемещать любой объект (A или B), и при этом второй (В или А) также будет перемещаться (рис. 2).
• Объектно-ориентированное проектирование — моделирование с использованием «разумных» объектов. До появления объектно-ориентированного проектирования модели представляли собой только набор граней, узлов и поверхностей. Объектно-ориентированные модели состоят из «разумных» объектов, имеющих определенные свойства, например деталей крепежа (болт, шайба, гайка), отверстий, фасок или конструктивно-технологических элементов.
• Параметрические сборки — модели сборочных узлов, в которых элементы различных деталей взаимодействуют между собой, формируя статические и динамические связи. Параметрическая связь между различными деталями позволяет элементам одной детали управлять размером и формой элементов другой детали. Как сказано выше, параметрические связи направлены, например: вырез на детали B определяет размер бобышки на детали A. Если изменить вырез, изменится бобышка, но не наоборот (рис. 3).
• Хронология — история создания модели в ядре всех современных систем CAD. Хронология связывает вместе отдельные элементы модели и их связи, позволяя просматривать и легко редактировать процесс создания модели.
• Ассоциативность — все современные системы CAD используют одну или несколько вышеупомянутых технологий. Ассоциативность — обобщенный термин, который используют при описании различных аспектов твердотельного параметрического моделирования.
• Адаптивные сборки — новая идеология проектирования, впервые реализованная в Autodesk Inventor. Позволяет определять связи между элементами модели без потребности в параметрах или уравнениях. Адаптивные сборки независимы от хронологии и определяют связь без ограничений направленных связей.

Как происходит создание и редактирование модели в большинстве систем твердотельного моделирования?

Современные моделирующие системы используют вариационные связи для позиционирования деталей относительно друг друга и параметрические связи для определения формы и размера элементов отдельных деталей. В этом случае возможно возникновение проблем. Почему?

• Порядок, наложенный параметрическими связями, ограничивает гибкость при внесении изменений в проект. Порядок создания конструктивных элементов часто произволен и впоследствии мешает изменениям деталей.
• Переопределение хронологии операций само по себе ограничено существующими связями: таким образом, изменять хронологию построений можно лишь в определенных пределах.

Сущность этой проблемы можно проиллюстрировать на следующем примере. Создана деталь A — плита с отверстием. Затем создан вал B, диаметр которого параметрически связан с отверстием в плите. Если вы перемещаете отверстие или изменяете его диаметр, вал будет изменяться соответственно (рис. 4).

Предположим, в процессе проектирования выяснилось, что параметры вала более важно определить по другой детали — кронштейну C (рис. 5).

В такой ситуации необходимо переопределение зависимостей, что в большинстве систем связано с большими затратами времени. Вал должен быть перепроектирован с параметрами детали C, и отверстие в плите А тоже частично должно быть переопределено. Поскольку такие ситуации возникают в процессе создания модели довольно часто, на процесс переопределения связей уходит значительная часть драгоценного времени.

Так чем же отличается адаптивная технология от традиционной?

Адаптивная технология позволяет легко определять размеры детали и ее форму в контексте сборки без возникновения любых непредвиденных проблем взаимных связей между деталями сборки. Это достигнуто за счет исключения зависимых параметрических связей и использования вместо них вариационных связей для определения размеров детали, ее формы и позиции в сборке.

В нашем небольшом, но наглядном примере при адаптивном подходе вал проектируется по отверстию в плите с использованием связи совмещения. При этом валу автоматически передается информация о размерах и позиции детали. Если изменить размер отверстия или его позицию, изменится диаметр или положение вала (рис. 6). На этом рисунке перед иконкой детали вал (Shaft) показан символ адаптивности.

Предположим, как и в предыдущем примере, нам необходимо переопределить размеры и положение вала по другой детали — кронштейну C (рис. 7). Чтобы выполнить это изменение, все, что мы должны сделать, — это указать, какие детали являются адаптивными, то есть отключить адаптивность у вала и указать, что адаптивным элементом теперь является плита. Это процедура легко выполняется и наглядно представлена элементом в графическом меню (рис. 8).

В результате вал B перемещается в центр отверстия кронштейна С и «перетаскивает за собой» отверстие в плите А. Порядок создания элементов не оказывает никакого воздействия на гибкость изменения проекта (рис. 9).

Таким образом, параметрические модели требуют определения и управления многочисленными параметрическими связями и тем самым ограничивают возможность последующих изменений. В некотором роде параметрические связи, призванные облегчить внесение изменений в модель, создают ловушку для проектировщика. Подобной ловушки не существует с адаптивными сборками, потому что модели взаимодействуют между собой непосредственно через геометрию, а не через сложные параметры и уравнения.

Другой важной особенностью Autodesk Inventor является возможность проверки кинематики проектируемого механизма. Некоторые современные системы проектирования имеют встроенные возможности анализа движения, но их полноценность ограничена перекрестными параметрическими связями. Адаптивная технология устраняет эту проблему, удаляя параметрические связи (рис. 10).

В процессе создания модели конструктору часто бывает необходимо проверить взаимодействие деталей друг с другом. В описываемой системе это решается очень просто — необходимо наложить зависимости между деталями и тем самым определить возможность их перемещения. Так, на рис. 10 определены взаимные связи между деталями таким образом, что ползун (на рисунке показан желтым цветом) может перемещаться по цилиндрической направляющей. Чтобы проверить диапазон перемещения ползуна по направляющей, достаточно указать курсором на подвижную деталь, нажать кнопку мышки и перетащить деталь туда, куда нужно. При этом все остальные детали будут вести себя, «как в жизни». Надо сказать, что при первом знакомстве с Autodesk Inventor эта возможность проверки кинематики впечатляет больше всего. Таким образом, конструктор создает детали не изолированно, а в контексте сборки. Элементы одной детали определяют форму и размер элементов соседних деталей. В отличие от традиционных MCAD-систем, построенных на механизме параметрических связей, Autodesk Inventor использует новую адаптивную технологию. Если параметрические зависимости в сборках хорошо работают для простых случаев, то они часто заводят в тупик при создании сложных сборок и непредсказуемых изменений модели. Адаптивная технология Autodesk Inventor устраняет проблемы создания и изменения связей в сложных сборках. Вы можете создавать детали в контексте их взаимодействия с ответными элементами сборки, назначая или переопределяя в любой момент адаптивные зависимости отдельным элементам деталей для управления формой детали, размерами, и позицией. Адаптивная технология дает возможность свободно разрабатывать и редактировать детали в среде сборочного узла.

При разработке Autodesk Inventor особое внимание было уделено вопросам повышения производительности системы при работе с крупными сборками (конструкции, состоящие из 10 000 и более деталей). Высокая производительность системы достигается за счет новых компонентов: адаптивного механизма моделирования, являющегося основой системы, и новой графической подсистемы. Адаптивный механизм моделирования использует технологию сегментированной базы данных. База данных систематизирует данные, находящиеся на диске, для быстрого поиска и сегментирования данных таким образом, чтобы можно было считывать с диска только требуемые данные. Современные системы моделирования обычно имеют структуру данных, которые включают реквизиты файла, параметры отдельных элементов, связи, дерево хронологии и оптимизированную графическую информацию. Эти данные обычно располагаются на жестком диске и беспорядочно смешаны на каждой странице памяти (верхний пример на рис. 11).

В отличие от этого, адаптивный механизм моделирования располагает данные по деталям и используемым категориям, тем самым оптимизируя поиск данных и их использование (нижний пример на рис.11). Для дальнейшего увеличения скорости выполнения операций моделирования адаптивный механизм моделирования интеллектуально загружает в память компьютера только те данные, которые необходимы для выполнения конкретной операции.

На рис. 12 показано, как в начале сеанса моделирования в память компьютера были загружены только графические данные. Поскольку сеанс проектирования включал создание или редактирование нескольких деталей, система автоматически загружала другие требуемые сегменты данных. Такой подход минимизирует размеры файла подкачки и увеличивает эффективность системы.

Таким образом, адаптивный механизм моделирования решает сложную проблему 3D MCAD-систем — ограничение эффективности и пропускной способности как аппаратных средств, так и программного обеспечения при работе с большими сборками. Эти проблемы вынуждают проектировщиков к проектированию больших сборок по частям. Autodesk Inventor обеспечивает проектирование больших сборок целиком и при этом значительно ускоряет доступ конструктора к информации. Например, проектируя в Autodesk Inventor, конструктор может начинать работу со сборки верхнего уровня, затем в этом же сеансе работы переходить к проработке отдельных деталей или сборочных единиц. Доступ к необходимым для редактирования данным происходит в 2-10 раз быстрее, чем в других популярных системах. Как известно, проектирование нового изделия — процесс коллективный. Исходя из этого Autodesk Inventor разрабатывался для использования внутри многопользовательской среды проектирования. Основные функциональные возможности в этой области включают:

• легкую настройку системы к требованиям компании;
• параллельное управление доступом, которое дает возможность нескольким пользователям работать в контексте одной и той же сборки;
• обновление данных в сеансе проектирования для просмотра изменений, сделанных коллегами;
• поиск документов по критериям состояния и «где используется» в распределенной среде.

Параллельная среда проектирования должна позволять группе пользователей работать в контексте одной и той же сборки и при этом предотвращать конфликты редактирования данных разными пользователями. Возможны различные сценарии организации такой работы. Autodesk Inventor поддерживает три варианта организации процесса проектирования:

1. Общедоступный cценарий. Все данные о сборке находятся на одном или нескольких центральных серверах и вызываются на редактирование оттуда.
2. Полуизолированный cценарий. Данные хранятся на сервере, а часть данных (копии для редактирования) сохраняется на локальном рабочем месте.
3. Изолированный cценарий. Рабочая станция пользователя содержит копии всех деталей, редактируемых или включенных в общую сборку.

Какой из этих сценариев является наилучшим? Это зависит от многих факторов. В каждом конкретном случае необходимо выбирать наиболее подходящий для предприятия или отдельного подразделения сценарий. Во время совместной работы над проектом могут возникать ситуации, когда один пользователь редактирует деталь, в то время как другие пользователи ссылаются на ту же самую деталь. Для решения возможных конфликтов в Autodesk Inventor существует специальный механизм отслеживания версий документа, подобный тому, что включен в системы документооборота (рис. 13). Этот механизм автоматически создает новую версию документа при каждом сохранении файла пользователем. При этом остальные пользователи, использующие ссылку на данный документ, работают с его предыдущей версией. В любое время они могут использовать команду Refresh (Обновление данных), чтобы загрузить самые последние сохраненные изменения во всех файлах ссылок.

Для решения сложных проблем, возникающих при создании адаптивных сборок, фирмой Autodesk используется собственное вариационное решающее устройство. Вообще в процессе разработки системы 3D-моделирования Autodesk Inventor было получено 17 патентов на новые технологии. Так, особое внимание было уделено производительности графической подсистемы.

Для быстрой и качественной визуализации модели были использованы, а в некоторых случаях и заново разработаны самые современные технологии. На сегодняшний день имеются два интерфейса прикладного программирования трехмерной графики (API — Application Programming Interface) — OpenGL и Direct3D. Современные аппаратные графические средства, такие как nVIDIA GeForse 256 или S3 Savage 2000, позволяют использовать в трехмерных сценах несметные количества полигонов, и возможности железа растут с каждым днем. Для обеспечения достойной реализации возможностей новой аппаратной части готовится новый интерфейс прикладного программирования под кодовым названием «Fahrenheit». Разработкой нового API заняты самые авторитетные фирмы: SGI, Microsoft, Hewlett-Packard, Intel. Техническая группа фирмы Autodesk в течение более двух лет работала в тесном контакте с разработчиками нового графического интерфейса. Адаптивный механизм, являющийся основой Autodesk Inventor, рассчитан на использование нового API Fahrenheit. Это первая 3D-система автоматизированного проектирования, которая использует новый графический стандарт. В результате применения этой технологии достигнута небывалая производительность графической подсистемы при визуализации 3D-модели.

Здесь мы предвидим вопрос пользователей Autodesk Mechanical Desktop: как будут уживаться на рынке два продукта для 3D-моделирования одного производителя? Фирма Autodesk продолжает поддержку и разработку следующих версий обеих продуктов, так как оба продукта имеют специфические свойства.

Mechanical Desktop объединяет плоское и трехмерное проектирование, обеспечивая многочисленным пользователям базовой системы быстрый переход от двухмерного черчения к трехмерному моделированию. Кроме того, Mechanical Desktop предоставляет конструктору многочисленные инструменты для эффективного агрегатного проектирования. Это различные модули для инженерных расчетов, библиотеки стандартных элементов, мощный модуль поверхностного моделирования.

Аппаратные требования

Autodesk Inventor работает на следующих платформах: Microsoft Windows NT 4.0, SP3 или выше (рекомендуется SP5), Internet Explorer 4.0 SP1 или выше; Microsoft Windows 98, Internet Explorer 5.0. Для работы Autodesk Inventor требуется поддержка OpenGL, которая на данный момент является стандартом для Windows NT 4.0 и Windows 98. Для лучшей производительности рекомендуется иметь графическую карту, поддерживающую стандарт OpenGL аппаратно, с 8 Mбайт видео RAM или больше.

***

В заключение хотелось бы отметить, что освоение новой системы Autodesk Inventor не представляет труда и доступно практически любому конструктору. В практике нашей компании уже имеется несколько примеров, когда конструктор, посидев пару часов рядом со специалистом, начинал самостоятельно проектировать свое изделие. Так, в течение всего лишь двух дней в Autodesk Inventor был разработан сложный заряжающий механизм для стрелкового оружия нового поколения. Восторгу заказчика не было предела. Начало коммерческих продаж Autodesk Inventor R2 ожидается весной 2000 года. Авторизованные разработчики Autodesk уже заявили о своей поддержке Autodesk Inventor. Так, компания ANSYS готовит к выпуску специализированный модуль DesignSpace for Inventor, обеспечивающий выполнение анализа и расчетов по МКЭ деталей и узлов, разработанных в Autodesk Inventor. Для управления проектными данными, информацией о составе изделия американская компания Motiva Software — стратегический партнер Autodesk в области технического доокументооборота — готовит к выпуску новую версию системы Motiva eChange Solutions, обеспечивающую тесную интеграцию с Autodesk Inventor. Сегодня продукты Motiva уже обеспечивают интеграцию с AutoCAD 2000, AutoCAD Mechanical 2000, Mechanical Desktop 4. Так что клиенты Autodesk теперь получат законченные комплексные решения на базе Autodesk Inventor. Мы приглашаем тех, кто желает поближе ознакомиться с этим и другими продуктами для комплексного решения задач в машиностроении, а также получить демонстрационные материалы, посетить офис компании EMT — Авторизованного системного и учебного центра Autodesk в области машиностроения.

По материалам компании EMT

«САПР и графика» 4'2000