Новый уровень в дизайне и эстетике разрабатываемых изделий

Совершенный инструмент для моделирования сложных поверхностей ICEM Surf

Радислав Бирбраер, Владимир Бельцов, Вячеслав Столповский

Мощный в работе и легкий в применении инструмент

ICEM Surf и реверс-инжиниринг. Диагностика качества поверхностей

ICEM Surf в свободном дизайн-моделировании

СОЛВЕР предлагает

Инженерно-консалтинговая фирма СОЛВЕР (SOLVER), содействуя российским машиностроительным предприятиям в построении эффективного бизнеса, предлагает решения для комплексной автоматизации всего производства: бизнес-процессов, конструкторско-технологической подготовки, производственных систем. Сегодня речь пойдет о том, как эффективно и на высоком эстетическом уровне решать задачи стайлинга разрабатываемых изделий.

В книге Н.Н.Смелякова «Деловая Америка» есть эпизод, когда писатель во время перелета на советском самолете, восхищаясь его техническими характеристиками, обращает внимание на то, что осветительный плафон в салоне крылатой машины по виду напоминает фонарь акционерного общества «Меркурий» прошлого века. Добиваясь высоких результатов в разработке сложной техники, мы часто не заботимся о внешнем виде изделий, отодвигая дизайн на второй план. Сегодня, когда на рынке предлагается множество качественных зарубежных товаров, как никогда актуальны вопросы, касающиеся внешнего вида изделия, его эргономичности, так как эти свойства товара напрямую определяют спрос на него.

Придать разрабатываемым изделиям привлекательный с точки зрения эстетики вид непросто. Однако есть инструмент, позволяющий дизайнерам, специалистам по стайлингу, эффективно и на высоком эстетическом уровне решать эту проблему. Речь идет о программном комплексе ICEM Surf — совершенном инструменте для моделирования сложных поверхностей. Признанный лидер в мире промышленного дизайна, ICEM Surf позволяет в максимально короткие сроки создавать продукты высочайшего класса и конкурентоспособности, чего зачастую так не хватает отечественным производителям товаров народного потребления.

Одним из первых российских предприятий, принявших на вооружение этот мощный инструмент, стало ОАО «ИЖ-АВТО». Как в свое время Япония, взяв на вооружение передовые технологии, вышла в мировые лидеры, так сегодня «ИЖ-АВТО» стремится максимально использовать все возможности автоматизации. Уже через год планируется выход в свет новой модернизированной модели автомобиля ИЖ-2126 «Ода», элементы внешнего вида которого вам предоставляется возможность оценить уже сейчас (рис. 1)*.

Мощный в работе и легкий в применении инструмент

Бесспорно, наличие сноровки и опыта работы в виртуальной среде — весомое подспорье на пути освоения любой системы. Однако что касается виртуального стайлинга в ICEM Surf, то «лепить» модели с его помощью не сложнее, чем из пластилина. Но за изящной легкостью применения мощного инструмента стоит сложнейший математический аппарат, обеспечивающий высокое качество проектирования в рекордно короткие сроки. Например, оперирование кривыми и поверхностями на уровне 16-го порядка в чистом Bezier-представлении в ICEM Surf является обычным делом. Разумеется, уровень мастерства, раскрывающий весь потенциал системы, достигается не сразу. По мере накопления профессиональных навыков и знаний постигаются преимущества исключительных технологий, заложенных в ICEM Surf. Так, фичерная технология позволяет выполнять моделирование в наиболее простых для дизайнера условиях, оперируя несложно управляемыми элементами. К примеру, вместо сложнейших построений на криволинейной поверхности все действия сначала выполняются на плоскости, а затем эта геометрия автоматически «перекладывается» на криволинейную поверхность (рис. 2).

Наличие ассоциативной топологической шины (Associative Topology Bus, ATB) со всеми программными продуктами фирмы PTC (Parametric Technology Corporation), в частности с системой сквозного параллельного проектирования и подготовки производства Pro/ENGINEER, позволяет проводить работу дизайнеров, инженеров и технологов в единой системе, благодаря чему исключаются многократные операции импорта/экспорта моделей. Иначе говоря, действия специалистов разных служб и отделов выполняются над одним объектом. Так, при изменении дизайнером внешнего вида изделия технологу, находящемуся в ассоциативной связи с ICEM Surf, не придется вновь импортировать откорректированную геометрию, а затем снова разрабатывать процесс обработки, достаточно будет выполнить операцию проверки состояния ATB-объектов на наличие в них каких-либо изменений — все остальное Pro/ENGINEER выполнит сам! В разрабатываемых с применением ICEM Surf изделиях оригинальные дизайнерские идеи всегда будут сочетаться с промышленной функциональностью.

Сегодня в области стайлинга применяются две основные технологии: реверс-инжиниринг (reverse engineering) и свободное дизайн-моделирование (free-form modeling). Технология реверс-инжиниринга («обратное» проектирование) базируется на виртуальном моделировании либо на редактировании CAS/CAD-моделей на основе физического прототипа. Эта технология, позволяющая заимствовать чужие дизайнерские идеи, помогла добиться успеха не одному предприятию из Юго-Восточной Азии.

Свободное дизайн-моделирование — самая прогрессивная и перспективная технология воплощения дизайнерских идей непосредственно в среде 3D-моделирования. При такой технологии нет необходимости в традиционном физическом макетировании, и все поиски стилевого решения происходят в виртуальном окружении. Особенностью этой технологии является то, что дизайнер должен обладать высокой квалификацией в области компьютерного стайлинга.

Стайлинг в ICEM Surf может начинаться с эскиза, наброска или чертежа, отражающего концепцию будущей формы. В качестве вспомогательной, ограничивающей геометрии используются 3D-модели элементов несущих конструкций или агрегатов, разработанные в системах CAD конструкторского или компоновочного назначения, например в Pro/ENGINEER или в Pro/DESKTOP. Обычно первые шаги к автоматизации дизайна не начинаются сразу со свободного дизайн-моделирования. Как показывает практика, в подавляющем большинстве случаев освоение высоких технологий стайлинга плавно переходит от реверс-инжиниринга к свободному дизайн-моделированию. Эффективность работ в области стайлинга определяется сбалансированным сочетанием сильных сторон обеих технологий.

ICEM Surf и реверс-инжиниринг. Диагностика качества поверхностей

После того как дизайнеры разработали стиль будущего изделия и создали его макет, необходимо перевести пластилиновую модель в модель математическую. При этом недостаточно просто перейти к точной математической копии — нужно получить модель с более высоким уровнем качества: с идеально гладкими и отточенными формами, равномерными по плавности и кривизне (это называется достичь эстетики класса А). Такая задача как нельзя более успешно выполнима в ICEM Surf. Обладая полнотой вариативности, динамичности и функциональности, ICEM Surf позволяет достигать идеальной, математически точной гладкости поверхности.

В качестве «точки опоры» используются оцифрованные данные, снятые с макета координатно-измерительной машиной (рис. 3). Инструментарий обмера не имеет принципиального значения, поскольку уже сам макет несет в себе широкий набор дефектов поверхности, которые на первый взгляд могут быть и незаметны. Задача виртуального стайлинга на стадии реверс-инжиниринга заключается в том, чтобы выявить все эти дефекты, а главное — исправить их. Не секрет, что далеко не в каждом, даже достаточно мощном, пакете CAD имеется приемлемый набор средств диагностики «внешности» и качества форм. В ICEM Surf заложен уровень диагностики, с которым трудно тягаться другим CAD-системам. Разумеется, в них есть похожие возможности, но таких легкости и удобства в использовании, широкой функциональности, как в ICEM Surf, в них нет. А вот чего заведомо нет ни в одной системе, так это высокой динамики представления реалистичных изображений. Вы можете потянуть мышью за точку поверхности модели, выполняя необходимые изменения, и сразу же (без единого намека на подтормаживание — даже на персональном компьютере) наблюдать точные результаты трансформации с безупречным фотореалистичным качеством (рис. 4).

В процессе работы модель помещается в настраиваемую пользователем рабочую комнату (environment) с управляемыми источниками света (точечными, рассеянными или направленными). Можно модифицировать поверхность и, контролируя отражения в ее зеркальной поверхности, добиваться ее совершенного качества. Для более адекватного представления характера геометрии применяется такой вид диагностики, как щелевые источники света, которые дают полную картину распределения линий отражения и бликов по всей поверхности модели. Рис. 5, на котором представлено то, что было снято с макета, и то, что пойдет после оптимизации в ICEM Surf на обработку станком с ЧПУ, красноречиво демонстрирует оправданность затрачиваемых на обработку оцифрованной поверхности усилий.

Диагностика, бесспорно являющаяся критерием оценки качества, представляет интерес лишь в тандеме с мощным аппаратом моделирования, позволяющим добиваться идеального качества, которое и необходимо контролировать такими совершенными средствами диагностики. Следует отметить, что ICEM Surf одинаково корректно оперирует как Bezier-представлением в чистом виде, так и NURBS. Использование NURBS характеризуется лоскутной структурой поверхности, управление которой затрудняется экстремально высоким количеством сегментов и контрольных точек. Потери в плавности при свободном трансформировании, отсутствие надежных механизмов сглаживания, сложности в управлении данными — все это ограничивает использование NURBS-представления в свободном дизайн-моделировании эстетических форм. Поэтому базой для стайлинга, конечно же, служит Bezier-представление, так как гладкость и строгость форм — это привилегия в первую очередь обширных (односегментных) поверхностей.

Одним из основополагающих признаков эстетики класса А является так называемая тенденция формы — когда поверхности, перетекая одна в другую, стыкуются между собой не просто по касательности (класс Б), а сохраняют непрерывность по кривизне (класс А), передавая тенденцию течения кривизны (рис. 6). Говоря математическим языком, это сопряжения с непрерывностью по второй производной. Обычные системы CAD на такое не способны, их возможности ограничиваются лишь выравниванием по касательности первой производной. И еще один немаловажный факт: необходимым минимальным условием двусторонней непрерывности по второй производной является 6-й порядок кривой, и чем порядок выше, тем более эстетичной получается проектируемая форма. А как известно, в среде стайлинга (CAS/CAD) на сегодняшний день выше 7-го порядка, кроме ICEM Surf, никакая другая система не оперирует. Проблему же повышения порядка такого плана пакеты решают сегментированием — переводом в NURBS (более сложная форма делится на несколько менее сложных), что недопустимо для реально эффективного стайлинга. Таким образом, использование любого другого продукта заведомо ограничивает свободу дизайн-моделирования. Приходится выбирать — либо работать в границах 7-го порядка, что значительно снижает темпы и одновременно держит на минимальном уровне обеспечения тенденций формы, либо отказаться от вариативности, концентрируясь на обеспечении требуемого качества посредством NURBS, что является для поиска стайлинговых решений не лучшим вариантом. В этом кроется одна из причин, почему ICEM Surf занимает такие прочные позиции на мировом рынке.

Но применение ICEM Surf не ограничивается областью реверс-инжиниринга как прямого воспроизведения имеющегося физического макета в виртуальной среде и доведения формы до совершенства. Наиболее полно широкие и гибкие возможности этого мощного инструмента раскрываются при его использовании в свободном дизайн-моделировании.

ICEM Surf в свободном дизайн-моделировании

На сегодняшний день свободное дизайн-моделирование — самая прогрессивная и перспективная технология воплощения дизайнерских идей, реализующая принцип осуществления стайлинга непосредственно в среде 3D-моделирования. При такой технологии исключается этап предварительного физического макетирования и все поиски стилевого дизайнерского решения производятся в виртуальном окружении. Творчество дизайнера максимально сконцентрировано на поиске оптимальной формы и ничем не ограничивается. Как было отмечено ранее, в качестве источника, позволяющего не выбиваться из желаемых габаритов и выдерживать правильные пропорции, может использоваться эскиз или набросок, представленный в растровом формате. Построение по принципу «от плоскостной геометрии к пространственной» заключается в том, что на начальном этапе, опираясь на одну из проекций, выстраивают плоскостные кривые. Затем их по контрольным (управляющим) точкам вытягивают в одном направлении (перпендикулярном к плоскости, в которой лежат), при этом используется соответствующий эскиз другой проекции. Построенные таким образом кривые служат границами для создаваемых поверхностей. Набор таких инженерных функций, как протягивание профилей, скругление, смещение, обрезание, окаймление, создание секторов и тел вращения, является мощным инструментом, определяющим эффективность свободного дизайн-моделирования в ICEM Surf. Так, проектирование головки рычага переключения передач (рис. 7) начиналось с нескольких сферических элементов, которые в процессе работы свободно модифицировались, приобретая нужные формы. Сама ручка рычага — это тоже поверхность вращения со «свободным» профилем образующей (free form).

Другим примером применения технологии свободного дизайн-моделирования с помощью ICEM Surf могут служить варианты задней части автомобиля «Ода-Универсал», которая, в отличие от передней, моделировалась полностью по технологии свободного стайлинга (рис. 8). Это позволило отработать множество вариантов решения одних и тех же элементов без существенных материальных затрат и в гораздо более сжатые сроки.

СОЛВЕР предлагает

Если ваши амбиции в плане производства товаров, отвечающих высоким эстетическим требованиям, до сих пор не удовлетворены — вам есть куда обратиться. В области дизайна СОЛВЕР оказывает помощь в отработке технологии проектирования изделий со сложными поверхностями. На основе пакетов ICEM Surf и CDRS, а также установок быстрого прототипирования фирмы Stratasys, Inc. (о них мы подробно рассказывали в февральском номере журнала «САПР и графика») предприятие может решить в СОЛВЕР конкретные задачи в области стайлинга и технического дизайна. И то, что еще вчера в дизайн-моделировании для вас было желаемым, но казалось несбыточным, — сегодня благодаря современным технологиям и опыту наших специалистов становится вполне достижимым.

«САПР и графика» 9'2002