7 - 2004

Принципы организации параметрических сборочных моделей в T-FLEX CAD

Андрей Василенков

Механизм фрагментов, проектирование сборок «снизу вверх»

Проектирование сборок «сверху вниз»

Конфигурации

Заключение

Одна из основных задач современного проектирования во многих технических областях — моделирование многокомпонентных изделий или сборок. При этом конструктор должен как можно более эффективно решить ряд определенных задач. Перечислим некоторые из них: получение сборочных чертежей, формирование отчетов и спецификаций, подготовка полного комплекта конструкторской документации в соответствии с выбранным стандартом. При трехмерном моделировании — проектирование изделия в естественном виде, получение конечного трехмерного (фотореалистичного) изображения изделия еще до начала этапа производства, проверка изделия на собираемость; различные анализы будущего изделия — оценка размеров, расчет массово-инерционных характеристик, разборка изделия, анимация механизмов и др.

Фотореалистичное изображение модели, созданной в T-FLEX CAD

Фотореалистичное изображение модели, созданной в T-FLEX CAD

Сегодня для многих стал очевидным тот факт, что без параметрических инструментов современная система просто не может стать конкурентоспособной. Поэтому сейчас практически все разработчики САПР, представленных как на российском, так и на международном рынке, вынуждены заявить те или иные параметрические механизмы. Но насколько эффективно они работают и как взаимодействуют с мощными инструментами моделирования, без которых также невозможно современное проектирование?

В данной статье мы предлагаем вам ознакомиться с методами проектирования параметрических сборок в системе T-FLEX CAD 3D российской компании «Топ Системы». Эта система была изначально параметрической и успешно развивается уже свыше 12 лет. В зависимости от поставленных задач конструктор может выбирать здесь различные средства и методы проектирования. Так, в тех случаях, когда требуется получение только сборочных чертежей, можно обойтись командами для двумерного проектирования. Для решения более сложных задач в распоряжении конструктора — мощные инструменты для создания объемных сборок из трехмерных моделей.

Что дают возможности параметризации при проектировании сборочной модели? На этот вопрос можно получить ответ, последовательно рассматривая, насколько эффективны способы решения поставленных задач в системе T-FLEX CAD.

Значительно повышает уровень проектирования возможность управления параметрическими связями деталей сборки через переменные. Внешние переменные детали можно связать с переменными сборки. В результате мы получаем дву- или трехмерную сборочную модель, которая способна автоматически изменяться в зависимости от значения входных данных, введенных конструктором. Например, конструктор вводит необходимый крутящий момент, который должен получиться на выходе спроектированного редуктора. В зависимости от этого автоматически рассчитывается геометрия шестерней и корпуса. Или другой пример: конструктор-мебельщик спроектировал набор мебели для кухни. При разнообразии архитектурных решений современных квартир нужно иметь возможность быстро и гибко настраивать параметры спроектированной мебели под индивидуальные размеры кухни заказчика.

T-FLEX CAD позволяет автоматически создавать новые деталировки (чертежей и моделей деталей) при изменении сборки. Это дает пользователю возможность практически мгновенно для любого типоразмера получить новый полный комплект всех документов, который может быть немедленно запущен в производство. Конечно, методику расчета и подбора решений в модель должен заложить сам конструктор. В числе необходимых инструментов в его распоряжении имеется мощный редактор переменных, в котором можно составлять различные математические или логические выражения.

По сборочному чертежу или трехмерной модели можно автоматически сгенерировать ассоциативные спецификации. При этом сохраняется связь элементов сборки с номерами позиций и записями в спецификации. Для автоматического создания спецификации по сборке нужно лишь предварительно ввести специальные данные, которые каждая деталь принесет с собой в сборочный документ.

В T-FLEX CAD сохраняется связь автоматически сгенерированной спецификации с позициями на чертеже

В T-FLEX CAD сохраняется связь автоматически сгенерированной спецификации с позициями на чертеже

Система поддерживает работу с базами данных. Это позволяет реализовывать в одном файле целые каталоги изделий, что особенно важно для создания параметрических библиотек, например, стандартных изделий.

Интересны возможности, которые предо­ставляет модуль решения оптимизационных задач методами приближений. При помощи этого инструмента гораздо легче создавать модели заданного объема или массово-инерционных характеристик, решать задачи равновесия, балансировки и др.

Модуль решения оптимизационных задач

Модуль решения оптимизационных задач

 

Для повышения наглядности управления созданной моделью пользователь имеет возможность самостоятельного создания удобного интерфейса в виде специальных диалоговых окон.

Механизм фрагментов, проектирование сборок «снизу вверх»

В системе T-FLEX CAD допускается включение в один документ геометрических данных, созданных в других документах системы. Документ T-FLEX CAD, который использован в других документах системы, называется фрагментом. По типу содержащихся данных можно выделить два основных типа фрагментов. Если для получения составных (сборочных) чертежей используется только двумерная информация, то принято говорить о 2D-фрагментах, или просто фрагментах. Если для получения трехмерной сборочной модели используется трехмерная геометрия включаемого документа, то его называют 3D-фрагментом. У 2D- и 3D-фрагментов много общего, они используют целый ряд одинаковых настроек, одни и те же принципы для осуществления связи «сборка—деталь—сборка» и способы управления внутренними параметрическими связями включаемого документа.

2D-фрагменты

Создание чертежей с помощью фрагментов в ряде случаев позволяет добиться значительных преимуществ. Во-первых, для сложных чертежей упрощается процесс создания, поскольку появляется возможность сначала создать отдельные части такого чертежа, а затем объединить их. Процесс проектирования отдельных фрагментов может быть либо абсолютно независимым, либо производиться в контексте сборки — с использованием ассоциативных связей между фрагментами и сборкой. Во-вторых, если создавать параметрический сборочный чертеж на основе деталей, составляющих его, то при изменении каких-либо параметров сборочного чертежа вы сможете одновременно получить и полный набор соответствующих этим новым параметрам чертежей-деталей. В-третьих, в качестве фрагментов удобно создавать часто повторяющиеся элементы чертежей, элементы стандартных библиотек. К примеру, можно добавить к чертежу детали чертеж бланка форматки.

Эффективность работы со сборочными чертежами в T-FLEX CAD обеспечивается многочисленными возможностями фрагментов. Последовательно рассмотрим некоторые из них.

Правильное положение фрагмента при любых изменениях сборки

Правильное положение фрагмента при любых изменениях сборки

Как и все элементы T-FLEX CAD, фрагменты можно привязывать к другим элементам сборочного чертежа, в том числе к другим фрагментам. Это позволяет добиться изменения положения фрагмента при перемещении других элементов сборочного чертежа.

Вследствие того, что фрагменты могут являться параметрическими чертежами, их размеры в таких случаях рассчитываются в соответствии с нужными параметрами сборочного чертежа. При этом в одном документе возможно использование одного и того же файла фрагмента с разными значениями параметров. Эта возможность особенно эффективна при использовании библиотек стандартных элементов.

Переменные фрагмента можно связать с переменными сборки

Переменные фрагмента можно связать с переменными сборки

На сборочном чертеже фрагменты часто перекрывают и друг друга, и изображение самой сборки. T-FLEX CAD позволяет организовать автоматическое удаление невидимых линий при наложении изображения фрагментов.

При нанесении фрагментов можно удалять ненужные линии

При нанесении фрагментов можно удалять ненужные линии

В сборочный чертеж можно вставлять только те элементы чертежа-фрагмента, которые необходимы. Эта возможность позволяет использовать в сборочных чертежах полностью оформленные чертежи деталей.

В качестве фрагментов можно использовать оформленные чертежи

В качестве фрагментов можно использовать оформленные чертежи

Фрагменты можно сделать переменными, то есть в зависимости от каких-либо условий в сборочный чертеж будет загружаться тот или иной фрагмент. Эта возможность позволяет создавать сборочные чертежи и модели изделий с разными вариантами исполнения, когда в составе одной и той же сборки участвуют разные детали в зависимости от варианта исполнения.

Сборочные чертежи непосредственно не содержат в себе всех данных о фрагментах. Они хранят лишь необходимое изображение и ссылки на эти чертежи. Это позволяет добиться максимально компактного хранения чертежей в памяти и на диске. Кроме того, если один и тот же файл чертежа был включен в различные сборки, то при его модификации произойдут соответствующие изменения и в тех документах, в которых он был использован.

Методики создания сборочных чертежей различаются по способам позиционирования фрагментов, а также по технологии создания самого фрагмента. В системе T-FLEX CAD существует два способа создания локальных систем координат чертежа для ориентации фрагмента.

Первый способ — размещение фрагмента на чертеже при помощи вектора привязки. В этом случае изображение фрагмента позиционируется в соответствии с установленным положением вектора на сборочном чертеже. При использовании этого способа привязки необходимо построить чертеж, а затем на чертеже фрагмента задать вектор привязки. Векторов привязки может быть несколько. С вектором привязки можно назначить связь для тех элементов чертежа фрагмента, которые нужно перенести в сборку. Например, имея чертеж гайки, состоящий из двух видов, мы можем создать два вектора привязки и связать каждый из них с нужным изображением. В сборочном чертеже мы сможем, выбирая нужный вектор привязки, использовать тот вид гайки, который необходим в данный момент.

Привязка фрагмента по вектору

Привязка фрагмента по вектору

Второй способ позиционирования фрагмента — задание точек привязки с помощью линий построения и переменных. Если предполагается включение чертежа в другие документы при помощи точек привязки, желательно уже в самом начале его создания заложить для этого соответствующие предпосылки. При этом способе чертеж строится по определенным правилам. Вертикальным и горизонтальным линиям в качестве параметров задаются зарезервированные имена переменных. В дальнейшем система T-FLEX CAD определяет точку пересечения таких линий как точку привязки фрагмента. Построение остального чертежа ведется относительно созданных точек привязки. Такая технология нанесения чертежа фрагмента обеспечивает уникальную возможность управления геометрическими связями изображения при «накалывании» его на сборочный чертеж. Точек привязки на чертеже может быть до десяти штук.

Нанесение фрагмента по точкам привязки

Нанесение фрагмента по точкам привязки

При создании сборочных документов часто возникает необходимость связывания параметров вставляемых элементов с параметрами элементов, к которым производится привязка. Можно решить данную проблему при помощи согласования значений внешних переменных фрагмента и переменных сборки или при помощи механизма измерения. Примеры: посадка подшипника на вал, привязка крышки к подшипнику, шпонки к шпоночному пазу, гайки на болт, вставка винта или шпильки в отверстие и т.д. При вставке на чертеж таких элементов от пользователя требуется не только задание основных размерных параметров (диаметр, длина и др.), но и точное позиционирование вставляемого элемента относительно существующего (выбор точки привязки и направления). В T-FLEX CAD существует механизм, позволяющий при помощи коннекторов существенно упростить процедуру вставки элементов в сборочную модель и свести к минимуму количество действий пользователя.

Коннектор — это элемент построения, предназначенный для привязки к нему фрагментов сборочного чертежа. Кроме геометрического положения (положения начала системы координат и направления оси по типу вектора привязки), коннектор может хранить и размерную информацию, необходимую для «подключения» к нему фрагментов. Эта информация хранится в виде списка именованных значений. Значения могут быть как константами, так и переменными. Они используются для присвоения значений соответствующим им по имени внешним переменным подключаемых к коннектору фрагментов. К примеру, коннектор, расположенный на оси отверстия, в качестве таких параметров может иметь глубину и диаметр отверстия. При вставке в это отверстие шпильки ее диаметр может быть задан автоматически значением D, хранящимся в коннекторе. Для этого требуется, чтобы внешняя переменная, задающая диа­метр шпильки, также имела имя D.

Привязка фрагмента с помощью коннектора

Привязка фрагмента с помощью коннектора

Иногда бывает удобно связать с коннектором элемент, который находится в стороне от него. К примеру, при привязке крышки к подшипнику удобно выбирать линии самого подшипника, лежащие на его периферии. При этом будет выбираться коннектор, лежащий на оси подшипника. Для решения этих проблем, а также для повышения наглядности вводится понятие «связанных элементов», список которых хранится в коннекторе. Связанные элементы необходимы для полноценного использования механизма объектной привязки при подключении к коннектору. При подведении курсора к одной из связанных линий изображения коннектор автоматически активизируется (подсвечивается на экране) и внеш­ние переменные фрагмента получают соответствующие значения, взятые из коннектора. Таким образом, фрагмент автоматически пересчитывается с новыми значениями переменных и помещается в точку подключения с соответствующей ориентацией.

3D-фрагменты

При проектировании сборочных трехмерных моделей часто бывает удобно использовать геометрические данные уже спроектированной трехмерной детали, то есть составить сборочную модель из готовых 3D-фрагментов. По этой схеме удобно проектировать сложные сборки или типовые механизмы, содержащие значительную долю унифицированных деталей. При проектировании в системе T-FLEX CAD по такой технологии можно выделить ряд преимуществ:

Схема проектирования сборочной модели методом «снизу вверх»

Схема проектирования сборочной модели методом «снизу вверх»

• проектирование деталей в отдельном файле позволяет разделить на компоненты и упростить общий процесс проектирования составного изделия;

• возможность использования одного и того же 3D-фрагмента в разных сборочных документах, составление библиотек часто используемых параметрических 3D-фрагментов;

• возможность ассоциативной привязки к элементам сборочной 3D-модели, в том числе и к другим 3D-фрагментам;

• возможность создания 3D-фрагментов с автоматическим позиционированием в пространстве на основе 2D-фрагментов и рабочей плоскости (так называемая планировка).

Смысл привязки 3D-фрагмента сводится к определению различными способами двух систем координат — исходной и целевой. Одна система координат принадлежит 3D-фрагменту, другая расположена на сборочной модели. Геометрия 3D-фрагмента однозначно позиционируется в пространстве после совмещения исходной и целевой систем координат.

Привязка 3D-фрагмента

Привязка 3D-фрагмента

Для удобства конструктора реализовано множество способов создания локальных систем координат с опорой на различные геометрические объекты трехмерной модели. При вставке 3D-фрагментов допускается использование заранее подготовленных систем координат. При необходимости можно создать требуемые ЛСК (локальные системы координат. — Прим. ред.) в прозрачном режиме при нанесении 3D-фрагмента. Это происходит автоматически при выборе для привязки вершин, граней, ребер, поверхностей вращения. Таким образом, система позволяет наглядно сопрягать различные 3D-элементы деталей (оси, вершины, поверхности и др.).

Существует и особый способ определения положения 3D-фрагмента по 2D-фрагменту. Этот способ также называют планировкой. В этом случае ориентация 3D-фрагмента производится по вектору привязки 2D-фрагмента. Вектор привязки при этом должен быть связан с рабочей плоскостью. Получаются две системы координат: исходная система рассчитывается на основе вектора привязки и связанной с ним рабочей плоскости в документе фрагмента, а целевая система координат — по конечному положению вектора привязки на странице чертежа сборки и выбранной рабочей плоскости. При таком способе привязки никаких новых ЛСК не строится. Трехмерные данные для 3D-фрагмента загружаются из того же файла 2D-фрагмента. Получается, что 2D-фрагмент используется для составления плана, а 3D-фрагмент — для построения трехмерной модели. Этот способ удобно использовать в некоторых специализированных случаях проектирования, когда требуется расположить несколько трехмерных объектов на одном уровне (плоскости). Таким способом можно, например, быстро собрать сборку в том случае, если она состоит из элементов, расположенных на одной оси, или удачно разместить мебель в помещении. Управление расположением трехмерных объектов в этом случае можно осуществлять прямо из чертежа, перемещая соответствующие 2D-фрагменты на плане.

Создание сборочной модели при помощи планировки

Создание сборочной модели при помощи планировки

3D-фрагменту, как и любому объекту трехмерной сцены, можно задать любые относительные преобразования — перемещение, поворот или масштаб. Для элементов сборки выделен дополнительный тип преобразования для решения задачи быстрого получения вида разобранного изделия. Использование параметров разборки позволяет анализировать состав изделия, быстро получать слайды для презентации продукта. Возможность получения аксонометрических изображений разборки с ассоциативной передачей цвета деталей на чертеже позволяет легко составлять наглядные технологические карты сборки, а также атласы для технического обслуживания сложных изделий. Это особенно важно для поддержки жизненного цикла изделия.

Пример сборочной модели T-FLEX CAD (включена разборка изделия)

Пример сборочной модели T-FLEX CAD (включена разборка изделия)

При создании трехмерной параметрической сборочной конструкции пользователь может управлять с помощью переменных следующими элементами:

• геометрической формой элементов сборки, при этом передача значений параметров выполняется при помощи внешних переменных фрагмента;

• количеством элементов сборки (наличие 3D-фрагмента в сборке может зависеть от условия, заданного пользователем);

• видимостью элементов, например, в зависимости от заданных условий;

• именами элементов сборки (при помощи текстовой переменной можно менять имя файла, из которого рассчитывается фрагмент).

В начало В начало

Проектирование сборок «сверху вниз»

В системе T-FLEX CAD существует специальный механизм, позволяющий создавать двумерный или трехмерный фрагмент с опорой на геометрию сборочного документа. Такой подход принято называть проектированием «сверху вниз». Сборочная модель может создаваться с чистого листа, когда конструктор определяет общую компоновку сборочной единицы. Затем происходит выделение отдельных элементов и их детальная проработка как в отдельных файлах, так и в контексте общей сборки. Использование метода проектирования «сверху вниз» в некоторых случаях позволяет исключить работу с внешними переменными. Параметры деталей в этом случае определяются сопряжением. Изменение внизу иерархии связанных деталей приводит к автоматическому изменению всех деталей-потомков в сборке. Кроме того, значения исходных параметров изделия можно получать непосредственно из контекста сборки, опираясь на сопряженные элементы. Например, можно сделать отверстия в крышке, опираясь на отверстия в корпусе. При этом конструктор работает с элементами, принадлежащими фрагменту, но одновременно в окружении детали видит и может использовать элементы, принадлежащие сборочному чертежу или 3D-модели. Такой режим обычно называется работой в контексте сборки.

Несмотря на то что в основу данного метода заложена общая идея, существуют некоторые различия при проектировании таким способом сборочных чертежей и трехмерных моделей.

Создание 2D-фрагмента в контексте сборки

Создание и редактирование 2D-фрагментов может производиться непосредственно в рабочем окне сборочного чертежа. При включении режима все элементы сборочного чертежа, не принадлежащие фрагменту, рисуются линиями более светлого оттенка, а элементы фрагмента отображаются обычным способом.

Работа с 2D-фрагментом в контексте сборки

Работа с 2D-фрагментом в контексте сборки

При создании нового фрагмента все вновь создаваемые элементы построения и изображения будут принадлежать новому фрагменту. В процессе нанесения элементов на чертеж фрагмента можно использовать как ассоциативный режим привязки (с отслеживанием последовательных изменений сборки), так и неассоциативный.

Другой полезный способ создания 2D-фрагмента позволяет перенести или скопировать уже начерченные элементы сборочного чертежа в отдельный файл. Для создания фрагмента пользователю достаточно указать набор элементов изображения (линий, размеров, штриховок и т.п.) сборочного чертежа, которые необходимо передать в отдельный файл. При выделении фрагмента в нем создаются не только элементы изображения, указанные в сборочном чертеже, но и соответствующие им элементы построения. Это позволяет сохранить все необходимые параметрические и геометрические взаимосвязи между элементами фрагмента в том виде, в котором они присутствовали в исходном сборочном чертеже.

Проектирование трехмерных сборочных моделей методом «сверху вниз»

Трехмерный фрагмент, исходная геометрия которого получена из сборочного документа, в системе T-FLEX CAD принято называть деталью. При таком подходе в целом ряде случаев облегчается задание привязок элементов друг к другу и может обеспечиваться параметрическая связь между ними. Если размеры или положение одной из деталей изменяются, то все связанные с ней элементы модели будут также автоматически скорректированы.

Схема создания сборочной 3D-модели методом «сверху вниз»

Схема создания сборочной 3D-модели методом «сверху вниз»

При проектировании 3D-сборки методом «сверху вниз» можно сохранять уже существующие твердотельные объекты в отдельный документ или создавать новую деталь в контексте сборки.

Первый вариант позволяет использовать уже готовые твердотельные геометрические конструкции, которые могут быть созданы обычными средствами моделирования. Выгрузка тела в отдельный файл может осуществляться, например, с целью оформления комплекта чертежной документации на деталь или при необходимости использовать эту модель в той же или в других сборках в качестве 3D-фрагмента. При сохранении геометрии в файл детали необходимо выбрать тип связи между сборочной моделью и деталью. Возможен вариант односторонней связи «сборка—деталь», когда выбранные элементы записываются в файл, который обновляется по запросу пользователя при изменениях в сборочном чертеже. Другой тип связи — двусторонний. При этом тело записывается в файл с его заменой на операцию вставки 3D-фрагмента. Получается, что передаваемая в файл детали геометрия может обновляться как при изменении по запросу пользователя исходного объекта сборочной модели, как в предыдущем случае, так и при внесении изменений в самом файле детали, когда система загружает новую геометрию в сборочную модель.

Режим работы с 3D-фрагментом в контексте сборочной модели

Режим работы с 3D-фрагментом в контексте сборочной модели

Метод проектирования «сверху вниз» также оказывается весьма эффективным при использовании режима работы с деталью в контексте сборочной трехмерной модели. В этом режиме можно создавать новые компоненты сборки или дорабатывать существующие. Принципиальное отличие этого способа состоит в том, что, работая в контексте сборки, можно перенести в файл детали не только операции сборки, но и любые 3D-элементы построения — рабочие плоскости, 3D-профили, 3D-пути и т.д. Это отличие является и главным преимуществом. Так, например, можно задать направление, используя ребра, 3D-узлы или по­верх­ности со сборки, а можно — граничные условия гранями или рабочими плоскостями сборки и т.д. При создании или редактировании детали используются любые команды системы и допускается использование уже существующих в сборке объектов. Можно формировать деталь, не выгружая объекты со сборки, а просто указывая их в качестве исходных при создании операций или 3D-элементов построения. В любом случае использование объектов со сборки автоматически обеспечивает привязку детали к сборке.

В начало В начало

Конфигурации

При пересчете сборки или при вставке нового 3D-фрагмента с какими-либо значениями внеш­них переменных, отличных от значений внутри файла фрагмента, система вынуждена заново пересчитать модель 3D-фрагмента для расчета актуальной геометрии. В системе T-FLEX CAD есть инструмент, который ускоряет процесс проектирования сборок путем исключения фазы пересчета модели 3D-фрагмента из процесса моделирования. Это достигается за счет дополнительного хранения внутри файла варианта геометрии для каждого нужного сочетания значений его внешних переменных. Сохраненная геометрия модели, соответствующая заданному набору значений внешних переменных, называется конфигурацией. Создание конфигурации позволяет сохранять в документе фрагмента геометрию для предопределенного набора значений внеш­них переменных (в документе может храниться несколько конфигураций). Каждая конфигурация имеет свое имя. При вставке документа как 3D-фрагмента в сборку вместо того, чтобы вводить значения внешних переменных, можно выбрать по имени конфигурацию из списка всех конфигураций, которые хранятся в документе фрагмента. При этом даже если будут заданы значения внешних переменных, которые совпадают с набором значений одной из существующих конфигураций, то пересчета не потребуется, поскольку будет использоваться геометрия, которая хранится в соответствующей конфигурации.

Конечно, сохранение некоторого количества конфигураций потребует дополнительного места на жестком диске. Но при нынешнем развитии технологий хранения информации эта проблема стоит уже не так остро. Гораздо более важным фактором становится сейчас для пользователя скорость, с которой его компьютер получает новые модели после пересчета сборки. При загрузке сохраненной конфигурации время ожидания нового варианта модели минимально.

В начало В начало

Заключение

Итак, мы рассмотрели инструменты для проектирования параметрических сборочных чертежей и трехмерных моделей в T-FLEX CAD 3D. Система позволяет работать со сборками всеми известными способами: методом «сверху вниз», в контексте сборки, в направлении от детали к сборке, а при желании и комбинировать все существующие методы. Мы также постарались доказать читателям, насколько повышает эффективность работы широкое использование мощных параметрических механизмов в комплексе с инструментами моделирования. Ведь главный выигрыш, который ожидает получить заказчик, приобретая ту или иную систему проектирования, — сокращение сроков проектирования и максимально быстрый выход на этап производства.

В начало В начало

«САПР и графика» 7'2004