Зачем нам эта «автокадовская» трехмерка, или Кинематическое моделирование механизмов
Если верить журналу CADalyst, 74% пользователей САПР работают с AutoCAD различных версий. Поэтому вопрос о назначении и, главное, о промышленном применении «автокадовского» трехмерного моделирования касается очень и очень многих. А вопрос этот, честно говоря, весьма неоднозначный.
Общение с заинтересованными лицами — конструкторами и разработчиками САПР — позволило выявить две большие группы претензий, предъявляемых к 3D-моделированию AutoCAD в его исходном, без дополнительных модулей, варианте (версии 14 и 2000).
Конструктор, работающий на обычном машиностроительном заводе: «А зачем мне все это нужно? Создание 3D-модели гораздо более хлопотно, чем вычерчивание ее проекций, и у меня просто нет на это времени. Визуализация? Но я и так прекрасно себе представляю, как выглядит моя конструкция. Расчет объема и массоинерционных характеристик? Для серьезных приложений он не годится, а объем подавляющего большинства деталей ни мне, ни технологу знать не нужно».
Разработчик САПР: «3D-моделирование в AutoCAD неполноценное, модели практически невозможно модифицировать, отсутствует ряд важных функций. Или ставьте Mechanical Desktop, или переходите на тяжелые САПР».
Сразу надо заметить, что установка того же Mechanical Desktop не снимает претензий конструктора, так как они относятся к 3D-моделированию вообще. Вот почему на одном из предприятий мы наблюдали следующую картину: MD был с помпой установлен, а ровно через две недели тихо снесен — не понравился по вышеназванным причинам.
Что же получается? Несмотря на все усилия разработчиков, 3D-моделирование, похоже, остается очень специфическим средством для решения действительно сложных задач, а средний конструктор как рисовал в AutoCAD версии 10 проекции, так и рисует их до сих пор, только теперь уже в AutoCAD 2000. Для такого положения дел есть как минимум одна объективная причина. При широком применении оборудования с ЧПУ создание трехмерной модели становится неотъемлемым этапом подготовки производства — ведь по ней разрабатывается управляющая программа. Увы, в условиях российской действительности автоматизированное оборудование, потихоньку стареющее и выходящее из строя, редко применяется в основном производстве, а выпуск новых станков с ЧПУ упал чуть ли не до нуля. Отсутствие полноценной интеграции подготовки производства и самого производственного процесса — главный сдерживающий фактор в массовом переходе от проекционных чертежей к трехмерным моделям изделий.
Итак, зачем же нам в нынешних условиях «автокадовская» трехмерка? Обидно осознавать, что столь мощное средство пока не нашло должного применения в промышленности, тем более что оно встроено в систему и по умолчанию доступно всем пользователям AutoCAD начиная с 12-й версии. Размышления на эту тему привели к формулировке класса конструкторских задач, которые, с одной стороны, постоянно встречаются в общем машиностроении, а с другой — прекрасно решаются 3D-средствами AutoCAD. Речь идет о проектировании механизмов с самоустанавливающимися элементами (МСЭ).
МСЭ присутствуют, пожалуй, в любой мало-мальски сложной машине независимо от ее назначения. В таких механизмах подвижные детали и узлы не имеют собственного привода, а перемещаются под действием сопряженных деталей или упругой силы пружин. Сюда относятся замки, защелки, захваты, фиксаторы — словом, все те наборы подпружиненных железок, которые должны что-то схватить и удержать. Мы видим их каждый день — на двери автомобиля, в замке квартиры, в приводе раздвижных дверей лифта, — не задумываясь о том, чего стоит проектирование каждого такого механизма.
Задача проектирования МСЭ нелюбима конструкторами в первую очередь в силу своей неопределенности. Геометрию деталей можно менять в широких пределах, но как узнать заранее, будет ли конструкция выполнять все задуманные движения и защелкивания? Увы, по сей день наиболее часто применяющийся способ проверки — ручная прорисовка (!) положений деталей с заданным шагом и затем анализ полученных кадров.
Вид конструктора Тульского патронного завода, который в течение недели в масштабе 10:1 отрисовывал 50 кадров, потряс нас до глубины души. Проектировался типичнейший МСЭ — захват автоматической роторной линии по производству спортивно-охотничьих пуль (рис. 1). Захват состоит из двух подпружиненных губок и толкателя, установленного на роторе в подпружиненном гнезде. При его вращении круглая заготовка, находящаяся на другом роторе, нажимает на губку сбоку, отжимает толкатель с губками, проходит мертвую точку, затем, отжимая губку в сторону, заходит внутрь и защелкивается второй губкой. Если заготовку перекосит и захват заклинит, последствия могут быть самыми печальными — усилие на роторе доходит до двух тонн (в цехе мы видели вал ротора в руку толщиной, скрученный в спираль в результате заклинивания).
Поскольку частая смена выпускаемых изделий даже в таком массовом производстве стала насущной необходимостью, мы поставили перед собой задачу автоматизировать проектирование МСЭ при помощи того средства автоматизации, которое есть на каждом предприятии, — AutoCAD 14. Разумеется, первой идеей было блеснуть эрудицией и предложить вырезать шаблоны из картона и обводить их (более продвинутый вариант — перемещать проекции контуров деталей в графическом редакторе AutoCAD). Идея была отвергнута по ряду причин: во-первых, не удавалось добиться нужной точности (захваты промышленного оборудования проектируются с точностью до 0,01 мм), во-вторых, трудоемкость снижается ненамного, в-третьих, реальные детали имеют сложный профиль по толщине, а плоский шаблон часто не позволяет смоделировать их перемещение, и, наконец, никак не автоматизируется ответ на главный вопрос: «заклинит — не заклинит?» Отметим, что вопрос «удержит — не удержит?» в данном случае оказался неактуальным из-за малой массы заготовок — усилия пружин с запасом хватало для их удержания.
Построение математической модели захвата и расчет траектории деталей методами аналитической геометрии и теоретической механики были отвергнуты сразу же: существует слишком много вариантов конструкции захвата с совершенно разной геометрией губок, каждый из которых потребовал бы отдельной модели. Да и сложность такой модели, связанная со сложностью геометрии захвата (рис. 2), даже для плоского случая превышала разумные пределы. Задача оставалась нерешенной, а конструкторы продолжали заниматься поистине сизифовым трудом, чертя кадрики.
Вот тут-то и пригодилась «автокадовская» трехмерка! Возникла следующая идея: по определению в самоустанавливающемся механизме детали принимают то или иное положение в результате соприкосновения с другими деталями. Таким образом, если 3D-модель перемещать, подбирая такое ее положение, в котором она касается сопряженных поверхностей, и делать это с заданным шагом, то можно с любой требуемой точностью промоделировать работу МСЭ. Сразу же решилась и задача «заклинит — не заклинит»: на каждом шаге нужно проверять, по скольким поверхностям базируется заготовка и какова суммарная величина пятна контакта (и губки, и заготовка могут иметь сложный профиль в вертикальной плоскости, поэтому высота пятна контакта вовсе не равна высоте губки). Зная массу заготовки, шероховатость поверхности и коэффициент трения, легко найти минимально необходимую площадь ее соприкосновения с зажимом, гарантирующую отсутствие перекосов. Дополнительным условием можно ввести требование базирования заготовки либо по двум поверхностям достаточной высоты, либо по трем поверхностям, которое также легко проверяется.
Собственно процедура отслеживания касания двух твердотельных моделей основывается на операции их пересечения (команда INTERSECT). Если в результате такой операции образуется новое тело, то выполняется откат, детали перемещаются с некоторым шагом и процесс повторяется. При этом шаг перемещения можно, например, каждый раз делить пополам, что позволяет достигать любой заданной точности позиционирования. Используя язык математики, можно сказать, что решается задача минимизации объема тела, являющегося пересечением двух других тел.
Разумеется, вся процедура выполняется программным путем. Мы использовали AutoLISP, но подойдет и Visual Basic, и ActiveX. Для любопытных приводим текст функции, проверяющей два трехмерных объекта на пересечение:
( DEFUN checkint ( e1 e2 / obj ret )
; Проверка пересечения трехмерных объектов e1 и e2
; Возвращаемое значение: T или NIL
( COMMAND “UNDO” “MARK” “INTERSECT” e1 e2 “” )
( SETQ obj ( SSGET “X” ) )
( IF ( /= obj NIL )
( SETQ ret ( NOT ( AND ( = ( SSMEMB e1 obj ) NIL )
( = ( SSMEMB e2 obj ) NIL ) ) ) )
)
( COMMAND “UNDO” “BACK” )
( SETQ ret ret )
)
На рис. 3 показан экран системы в процессе моделирования. Выглядит такая «автокадовская» анимация забавно: одна деталь подбирается к другой, затем, словно обжегшись, отскакивает назад и все повторяется с уменьшающейся амплитудой отскоков, пока наконец момент касания не будет установлен с требуемой точностью. Надо отметить, что время моделирования всего цикла работы при точности 0,01 мм оказалось весьма незначительным — порядка 5-7 с даже на слабенькой машине Pentium 100/32 Мбайт.
На каждом шаге положение деталей механизма, а также все необходимые размерные и угловые параметры записываются, а затем из них формируется единая последовательность кадров, показанная на рис. 4. При необходимости прямо в кадре пишется предупреждение типа «Опасность перекоса!».
Предлагаемая методика кинематического моделирования открывает широкие возможности перед конструкторами. Программирование для нее требуется весьма несложное, а результат она дает быстрый и впечатляющий. Система моделирования клещевых захватов уже работает в составе разрабатываемой нами САПР автоматических роторных линий. Она позволяет конструктору выполнять параметрическое проектирование захвата и моделировать работу текущего варианта конструкции, что способствует быстрому и оптимальному выбору проектного решения.
Хочется надеяться, что данная публикация поможет и пользователям, и разработчикам по-новому взглянуть на, казалось бы, хорошо известные функциональные возможности AutoCAD и применить их к решению производственных задач.
«САПР и графика» 9'2000
