11 - 2003

Параметризация на плоскости в T-FLEX CAD

Сергей Димитрюк

Поддержка ассоциативности элементов изображения

Объектное проектирование на плоскости

Параметрические связи геометрии изделия

Ассоциативные данные изделия

Пять лет назад интересно было бы заглянуть в наше время и спросить, а как поживают непараметрические системы? Их уже почти нет? Неужели так быстро? А нам говорят, что параметризация вымрет, что это сложно, что мозг человека не способен отследить множество связей, что при изменении одного параметра другие разбегутся в беспорядке. Неужели человечество поняло, что мозг нужно использовать не для слежки, а для управления и задания параметрических связей? Шутки шутками, но перейдем к делу.

Сегодня параметризация в той или иной мере поддерживается всеми MCAD-системами. Теперь уже ясно, что развитие систем перешло на качественно иной уровень. Но, как говорится, каждая селедка рыба, но не каждая рыба селедка. Поэтому различия в подходах к параметризации сохраняются, так же как и груз прошлого — привычки, настройки интерфейса, формат хранения данных, не всегда адаптированный под поддержку параметрических связей, организация алгоритмов работы систем и т.п. (см. «САПР и графика» № 10’2003).

В данной статье мы попытаемся изложить свое видение развития параметрических технологий применительно к плоским построениям и понятию конструкторского документа. По возможностям плоских построений T-FLEX CAD выгодно отличается от конкурирующих систем среднего уровня. Почему мы до сих пор уделяем пристальное внимание проектированию на плоскости? Ведь со всех сторон нам твердят, что плоские системы вот-вот вымрут. Давайте рассмотрим, какие задачи автоматизации плоские системы не решают, а какие могут решать достаточно эффективно.

Любая двумерная CAD-система не может справиться со следующими задачами:

• создать 3D-модель для автоматизации написания управляющей программы с целью последующей 3- или 5-координатной обработки детали, или для ее конечно-элементного анализа, или для быстрого прототипирования;

• анализировать собираемость конструкции пространственной компоновки;

• выявлять количественный состав изделия.

Однако плоские построения имеют следующие преимущества:

• они являются основой трехмерных построений;

• наглядно представляют параметры конструкции через устоявшуюся систему конструкторско-технологических обозначений;

• сокращают расходы на ПО и обучение, дают работу менее квалифицированному персоналу;

• делают продукт (бумажный чертеж) аппаратно независимым (бумага, в отличие от 3D-модели, не требует наличия компьютера);

• имеют на порядок меньший размер файла и требуют гораздо меньше времени для пересчета параметров, что очень важно для удаленной работы с партнерами или заказчиками;

• имеют свободно распространяемый и небольшой по размеру просмотрщик документа (Viewer), а также возможность управления параметрами заказываемой конструкции.

Благодаря последним двум из перечисленных пунктов плоские CAD-системы в наше время получили вторую жизнь. Потребность в системах для работы в режиме удаленного доступа и представления своей продукции в Интернете растет. Поэтому утверждение о неактуальности плоских построений сомнительно. Итак, области эффективного применения нами определены, теперь вернемся собственно к параметризации.

Возможность работы с переменными параметрами дала толчок развитию нескольких технологий для проектирования, с которыми так или иначе связывают понятие параметризации. Все эти технологии основаны на определенных иерархических связях, которые часто называют связью «родитель-потомок». Разделим их на несколько крупных частей:

1. Ассоциативные параметры изображения.

2. Объектное проектирование.

3. Параметрические связи геометрии изделий.

4. Ассоциативные данные изделия.

Поддержка ассоциативности элементов изображения

Указанные технологии существенно автоматизируют построения и, что немаловажно, не требуют высокой квалификации и дополнительного обучения. Суть их в том, что если, например, назначить симметрию на элементы, то при любых изменениях построений отношения симметричности сохраняются. Тем не менее если вы симметрично отображаете штриховку, то симметрия распространяется только на контур, а заполнение соответствует исходному. Совсем иное должно происходить с текстами, размерными надписями и другими подобными элементами чертежа. При трансформации (симметрии, повороте и т.п.) оформленного чертежного вида размерные надписи должны отображаться в соответствии с ЕСКД (рис. 1). Можно представить, сколько работы вам понадобится проделать, если не иметь такой возможности! А какой рутинной работы и скольких ошибок вы избежите при ассоциативных размерах и отклонениях размеров (см. рис. 1)!

Любой конструктор, работающий с чертежами, знает, насколько важно обеспечивать согласованность чертежных видов, чтобы изменения на одном виде приводили к адекватным изменениям на другом. В T-FLEX CAD эта проблема решается с помощью проекционных связей. Такая возможность позволяет в полной мере использовать все методики начертательной геометрии для решения пространственных задач, поскольку элементы видов чертежа становятся ассоциативными. Рассмотрим простой пример — валик с лыской (рис. 2). Мы имеем три вида, для которых нужно обеспечить два «трудных» условия (остальные условия выполняются как бы сами собой): равенство диаметров на виде спереди и виде сверху; ширина лыски на виде сверху должна быть адекватна ее глубине. Базовыми линиями будут оси валика 1, 2 и 6.

Первое условие можно выполнить, введя переменную диаметра на виде спереди, а затем использовать ее же и на виде сверху. Однако в случае, когда валик сложный ступенчатый, вам придется создать достаточное количество переменных. Этот подход имеет свои преимущества, но мы обойдемся без переменных. Для этого создадим прямую переноса 3, последовательно кликнув на прямые осей валика 1 и 2. Затем, выбрав прямую переноса 3 и диаметральную прямую 4 на виде спереди, получим диаметральную прямую 5 на виде сверху. Далее аналогично. Как видите, в этом случае мы смогли обойтись без вспомогательного вида — зачастую для осесимметричных деталей в нем нет необходимости.

Второе условие можно выполнить, построив вид справа. Для переноса точки пересечения очерка лыски с очерком диаметра построим прямую переноса 7 (биссектрису), последовательно кликнув на прямые осей валика 6 и 2. Далее, выбрав прямую переноса 7 и прямую 8 на виде справа, получим прямую 9 очерка лыски на виде сверху. Построим лыску. На стандартных видах можно было бы воспользоваться ортогональными линиями, но использование биссектрисы в качестве прямой переноса позволяет связать и не ортогональные виды и уменьшает количество кликов мышью. Теперь все построения будут жить полноценной «семейной» жизнью (изменение на одном виде автоматически повлечет за собой изменение и на других видах).

Отдельной темы заслуживает ассоциативность элементов сборочных моделей. Любой конструктор оценит способность системы приводить в соответствие параметры соединяемых элементов конструкции при ее модификации. В T-FLEX CAD подобные инструменты реализованы как для сборок «сверху вниз», так и для сборок «снизу вверх».

Для сборок «сверху вниз» реализован инструмент контекстной сборки, который ассоциирует параметры «соединяемых» элементов. На рис. 3 представлен элемент сборки, созданный в контексте сборки, в котором диаметр шейки вала и диаметр отверстия корпуса ассоциированы с посадочными поверхностями подшипника и с осевой линией. Важный момент: вначале должны появиться базовые элементы (элементы, определяемые компоновкой, межосевым расстоянием, стандартными изделиями и т.п.), то есть в нашем случае это осевая линия, а на ней подшипник. Затем в контексте строим шейку вала и отверстие. Теперь изменение положения осевой или выбор других параметров подшипника будет приводить к ассоциативным изменениям сопряженных деталей. При этом в деталировке изображаются те параметры, которые установлены сборкой.

Для сборок «снизу вверх» в T-FLEX CAD версии 8 реализован механизм коннекторов. Пример: мы имеем базовую деталь, скажем корпус, к которому присоединяем другие детали. Если в корпус вставить отверстие, содержащее коннектор, то при вставке болта его диаметр будет ассоциироваться с диаметром отверстия, далее диаметры шайбы и гайки примут значение от коннектора болта. Стоит нам поменять диаметр отверстия, как все сопряженные изделия примут совпадающие или наиболее близкие стандартные значения (рис. 4). Этот механизм наиболее эффективен при проектировании сборки изделий, состоящих из множества нормализованных деталей, например гидроцилиндров, станочных приспособлений, редукторов, узлов деталей машин и многого другого. Кроме того, данный механизм ускоряет вставку стандартных изделий, которых в сборке всегда достаточно много.

В начало В начало

Объектное проектирование на плоскости

Технологии объектного проектирования чаще относят к методам пространственного моделирования, однако проектирование деталей на плоскости с использованием ранее прочерченных конструктивов по многим признакам можно отнести к объектному проектированию. Это еще один аспект параметризации — ассоциативная геометрия конструктивных элементов (КЭ), фрагменты которых можно рассматривать как параметрические объекты. T-FLEX CAD предоставляет широкие возможности для построения пользовательских КЭ. Специальные виды отверстий, проточек, канавок и других подобных КЭ, характерных для области деятельности пользователя, можно включать в состав библиотеки T-FLEX CAD самостоятельно. Принцип «один раз создать — использовать многократно» соответствует парадигме T-FLEX CAD. Использование фрагментов КЭ также в значительной степени разгружает чертеж от излишних построений. Кроме того, фрагменты КЭ могут содержать специальную информацию (например, технологическую) в виде переменных, что открывает для данных технологий, называемых иногда адаптивными, широкие перспективы (рис. 5).

В начало В начало

Параметрические связи геометрии изделия

Как бы мы ни развивали технологии ассоциативности, все равно ассоциативность должна быть по отношению к чему-то. И вот этого «чего-то» — 85% всех геометрических построений. Несмотря на мощное наступление 3D-систем в 90-х годах, 2D-системы прочно удерживают ряд ключевых областей представления графической информации. Любая из CAD-систем, сохранившаяся на рынке, может предоставить аргументы в пользу поддержки параметризации. Но приходили системы к этому состоянию разными путями.

Первым инструментом для решения задач параметризации были языки программирования. Этот подход до настоящего момента поддерживают многие старые пользователи, особенно из академической среды САПР, но ряды их быстро редеют. Все-таки такой подход не только требует высокой квалификации, но он еще и достаточно трудоемок, требует отладки, а в силу этого ненадежен для сложных изделий.

Однако программный подход оправдан, если создается специализированная корпоративная САПР с расчетными методиками параметров, не связанными с расчетом геометрических связей (рис. 6). А далее, уже на основе рассчитанных параметров изделия, его модель геометрически отстраивается по заложенным связям в чертеже (см. «САПР и графика» № 7, 12’2002 и 9’2003). Часто в литературе подобную реализацию называют CASE-технологиями. Для этого случая в качестве базы корпоративной САПР в России в большинстве случаев выбирают именно T-FLEX CAD.

Попытки предложить инструменты параметризации для многих изначально непараметрических систем долгое время были неудачными из-за множества ограничений. Сама по себе задача параметризации нетривиальна, а если к этому добавить изначально непараметрическое ядро системы, то реализация алгоритмов параметризации и математически, и логически многократно усложнится. Более приемлемое решение для таких систем смогла предложить компания D-CUBED. Принцип работы данного решателя основан на сходимости системы линейных уравнений. Несмотря на огромные усилия по разработке, этот решатель до сих пор имеет множество ограничений из-за сложности математического аппарата (и вследствие этого — высокой стоимости). Можно сказать, что компания D-CUBED сделала 3D-системы параметрическими, потому как если не параметризован эскиз, то систему назвать параметрической нельзя. Однако необходимость не усложнять построения выше некоторого предела до сих пор остается актуальной. Как советуют опытные проектировщики новичкам в данных системах, «каждой грани — свой эскиз, каждый сложный эскиз разделяй на несколько независимых простых, и у тебя получится». Такой подход, конечно, не способствует полной параметризации, которую требуют полноценные 2D-системы для решения задач в своей нише. Вследствие остающихся ограничений в сложных параметрически связанных 2D-построениях такое решение приемлемо практически лишь для параметризации эскизов 3D-систем.

В то же время развивались системы, в которых вся внутренняя организация САПР была рассчитана на отработку параметрических связей не только в трехмерной, но и в плоской геометрии изделия. В отличие от решателя системы уравнений, где количество вычислений растет нелинейно, а после нескольких десятков связей — просто катастрофически, эти системы имеют иерархическую организацию вычислений и, как следствие, требуют гораздо меньших по объему вычислений, количество которых возрастает линейно с усложнением модели. Кроме того, иерархические вычисления отталкиваются от базы, они имеют точку опоры. Несмотря на такую разность в математике, эти системы в применении могут походить друг на друга. Например, если вы будете использовать управление параметрами через размерные линии в T-FLEX CAD, то внешне это будет похоже на применение системы с решателем D-CUBED. Оговорюсь, что иерархические вычисления для поддержки параметрических связей использует не только компания «Топ Системы» с продуктом T-FLEX CAD, но и ряд других уважаемых зарубежных и российских разработчиков. Что касается технологий параметризации элементов изделия, предлагаемых T-FLEX CAD, то это прежде всего технологии, не только позволяющие быстро модифицировать чертеж на любом этапе его разработки, но и превращающие его в мини-САПР конкретного изделия (рис. 7).

В предыдущих публикациях (см. «Методы организации работы над сборочными моделями», «САПР и графика» № 11’2002) мы уже затрагивали различные аспекты параметрических связей и прежде всего необходимость их логичности. Это требование действует для всех параметрических систем. Иначе при модификациях линии будут разбегаться в беспорядке.

Далее, для большей ясности изложения, позволим себе небольшое отступление. Когда начинающий изучение системы T-FLEX CAD ошибается в построениях, я произношу магические слова: «Вы должны увидеть топологию изделия!». Если построение выполнено правильно, топология становится понятной. Итак, топология — это раздел математики, занимающийся изучением свойств фигур, которые сохраняются при непрерывных деформациях, то есть когда не происходит разрывов или склеивания фигуры. Первоначально этот раздел носил название «анализ ситус» (анализ положения). В научно-популярной литературе топологию называют геометрией на резиновом листе, поскольку ее наглядно можно представить как нарисованные на идеально эластичном листе фигуры, которые подвергаются растяжению или сжатию.

Одним из ключевых понятий в топологии является узел. Узлы связывают элементы фигуры и обеспечивают ее неразрывность при изменении положения элементов. Рассмотрим пример: дано сечение призмы с отверстием. Нужно добиться того, чтобы отверстие всегда принадлежало сечению. Как видно из рис. 8, верхняя часть призмы криволинейна, поэтому при изменении положения отверстия очерки его сторон на сечении будут переменными. Чтобы решить эту задачу, нужно построить узел между прямой (очерк стороны отверстия) и ломаной (очерк верхней стороны призмы) и повторить операцию для другой стороны отверстия. Теперь можете менять диаметр отверстия, перемещать его — фигура будет неразрывна. Узел будет всегда держать границу линии очерка отверстия на ломаной.

Важное свойство любых управляемых параметрических построений — их неразрывность. Система T-FLEX CAD надежно отслеживает неразрывность моделей и выдает информацию о разрыве при критическом изменении параметров (рис. 9). Способность выдавать такую информацию — важное свойство иерархических вычислений. Эти указания значительно ускоряют отладку сложных моделей и делают критические построения прозрачными.

Однозначность определения связей должна быть! Иначе модель будет вести себя как ей захочется. Разберем пример: кулачок вращается, толкатель качается.

На рис. 10 слева видно, что связь удовлетворяет заданному условию касания ролика с окружностью качания и линией кулачка в обоих случаях. Поэтому при вращении кулачка ролик может занимать любое из указанных положений. Но если задать условие касания ролика к ограниченной дуге (как на правом рисунке), то связи будут определены однозначно и возможное положение будет единственным, поэтому модель будет работать правильно. Для однозначного определения топологии модели в T-FLEX CAD есть универсальное средство — путь, который может быть и отрезком, и дугой, и кривой, и ломаной; он может быть замкнутым и открытым; он может задавать направление. Одним словом, путь — это универсальный топологический элемент. Именно с помощью пути в этом примере задана ограниченная дуга.

Мы уже писали о том, что T-FLEX CAD может подбирать параметры элементов так, чтобы удовлетворить заданному условию. Самая распространенная задача в плоской постановке — это подбор положения натяжного ролика для обеспечения заданной длины ремня. Эта задача уже подробно разбиралась, поэтому останавливаться на ней не будем. Довольно часто возникает другая потребность: изменить схему устройства. Например, заменить поступательное движение натяжного ролика на качательное. T-FLEX CAD позволяет осуществить такую замену за одну операцию. На рис. 11 вы видите построения и до и после замены. Рядом приведено дерево построений, с которого мы срезали «веточку» и привили ее на другой «ствол». Соответственно все связи касания ролика с ремнем при новой реализации механизма остаются. В реальных условиях 2D-проектирования переназначаемые связи могут содержать сотни надстроенных связей. Если система не имеет такого механизма, то вам наверняка придется хорошо потрудиться.

Итак, мы плавно подошли к возможности анализа плоских кинематических схем с помощью параметрических моделей. Построим схематическую модель кривошипно-шатунного механизма (рис. 12). На рис. 12а вы видите всего шесть построений. Для человека непосвященного эта схема непонятна. Однако, присоединив фрагменты деталей, указывая на узлы (рис. 12б), мы получим понятную схему устройства (рис. 12в). Кликнем на прямой 2 и посредством мыши будем вращать ее (должен изменяться угол прямой 2 относительно узла 1, следовательно, узел 4, лежащий на прямой 2, также начнет вращаться вместе с окружностью 5, которая будет перемещать узел 6 по прямой 3). Видно, что устройство ожило и все звенья перемещаются в соответствии с заданным вами законом. Теперь, когда определены основные параметры устройства, можно приступать к его детализации или анализу, например к очертанию рабочей зоны (рис. 12г). Подобный анализ удобнее всего проводить с помощью анимации.

Если вы заметили, я не изображал детали в сборке, а просто их туда вставил. Часто начинающий пользователь поступает наоборот. Он допускает одну из типичных ошибок: пытается начертить параметрическую сборку детально, а затем делать деталировку. Через некоторое время работы над сборкой ему будет трудно разобраться в задаваемых связях, поскольку их окажется очень много. Именно поэтому T-FLEX CAD использует не описанную выше логику, а последовательную. Сначала создаете компоновку, определяетесь с габаритами и составом изделия, оформляете компоновку в виде схемы со связями компонентов. Следующий шаг — распределение задания на деталировку с конкретными габаритными и присоединительными размерами. Каждый конструктор по заданию и схеме устройства выполняет свою часть работы. Далее собираете изделие из деталей по схеме и анализируете правильность выполнения задания. Выявленные неточности отправляете на доработку. Как видите, эта трехэтапная схема сборки «сверху вниз, а затем наверх» работает для крупных проектов в больших коллективах, где необходимо эффективно распараллеливать работы. Вышесказанное не означает, что T-FLEX CAD не допускает последовательную работу над сборкой, — просто здесь единых рецептов нет. T-FLEX CAD предполагает творческий подход к работе со сборками. Организуйте работу так, как того требуют ваши условия.

Геометрические связи между элементами T-FLEX CAD может задавать как геометрическими отношениями (параллельность, перпендикулярность, центр, биссектриса, концентричность, эквидистанта и т.п.), так и переменными выражениями, в том числе логическими. Можно также использовать в расчетах измеренные значения между элементами. Геометрические элементы можно совмещать, применяя функциональность оптимизации. Можно включать в файл T-FLEX CAD расчетные модели, табличные параметры. Для работы с массивами параметров удобно использовать базы данных (БД), которые в T-FLEX CAD могут быть внутренними или внешними. С помощью функций по параметрам, можно строить кривые и ломаные на основе значений БД. В функциях можно строить аналитические кривые по формульным зависимостям в декартовой и полярной системах координат.

БД широко применяются при вариантном проектировании и при подготовке базовых или унифицированных изделий, используемых на предприятии. Открыв любой фрагмент библиотеки стандартных элементов, поставляемых с системой, вы сможете оценить всеобъемлемость параметризации T-FLEX CAD, которая для конечного пользователя выражается в виде легко читаемых диалогов, позволяющих любым пользователям управлять параметрами, не вникая в сущность построений. Когда вы вставляете, например, болт, то выбираете его диаметр и длину. Остальные параметры чертеж подбирает сам на основе БД. Использование диалогов в интерфейсе систем проектирования является признаком хорошего тона. T-FLEX CAD предоставляет уникальную возможность создания диалогов самим конструктором (см. рис. 3, 4, 5).

Одной из интересных отличительных особенностей T-FLEX CAD является способность формировать отчеты по текущим переменным. Отчеты могут использоваться для самых разных задач: для подготовки данных для внешних систем, для ассоциативно связанных текстов, например текстов ПЗ или заданий на разработку и т.д., для проектирования кулачковых механизмов, для создания разверток регулярных поверхностей (см. «Построение разверток в T-FLEX CAD методами начертательной геометрии», «САПР и графика» № 12’2001) и т.п.

В начало В начало

Ассоциативные данные изделия

В последнее время все настоятельнее становится требование информационных служб предприятий об обеспечении единства информационного пространства предприятий. Смысл этого требования в том, что информация должна быть внесена один раз и затем автоматически передаваться по логически связанным документам без участия человека. Это необходимо для того, чтобы ускорить прохождение информации, обеспечить адекватность изменений во всех логически связанных документах, избежать ошибок, связанных с человеческим фактором. Простейший пример: если в наименовании «Кронштейн правый» конструктор поставил один пробел, а технолог — два пробела, то для системы поиска это будут два разных изделия. И результатом поиска будет либо чертеж без техпроцесса, либо техпроцесс без чертежа. В этой достаточно банальной ситуации, конечно, можно найти приемлемое решение, однако на практике процесс проектирования не столь тривиален.

В T-FLEX CAD при оформлении чертежа не просто вносится текст названия, обозначения и другие атрибуты документа на изделие, а сразу формируются переменные, несущие данные изделия, которые будут в дальнейшем использованы при автоматическом формировании спецификаций, технологических процессов и т.п. Далее, когда деталь вставляется в сборку, передается информация, автоматически формирующая спецификации на основе состава сборки. В библиотеках стандартных элементов информация для спецификаций уже подготовлена. Таким образом, параметрические возможности T-FLEX CAD дают основу для связанных данных об изделии, которые могут использоваться любыми внешними системами. Доступ к любым параметрам T-FLEX CAD из внешних приложений может быть организован как через API, так и просто через базы данных или отчеты.

Необходимо также отметить, что комплекс T-FLEX — это интегрированная среда проектирования, включающая все компоненты CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM-систем. Комплекс решает широкий круг задач технической подготовки производства и взаимодействия с заказчиком (см. «Интеграция инженерных расчетов и параметрической графики в среде T-FLEX CAD», «САПР и графика» № 1’2003). Однако часто возникает задача решения узкоспециализированных проблем. В этом случае можно быть уверенным, что любое разрабатываемое специализированное приложение к T-FLEX CAD органично впишется в комплекс и будет использовать все преимущества единого информационного пространства.

* * *

В заключение хотелось бы отметить, что линейка продуктов T-FLEX предназначена не только для суперпрофессионалов. В T-FLEX CAD входят и простейшие инструменты, использующие размерную параметризацию. Таким образом, в едином комплексе могут работать специалисты различной квалификации, которые без отрыва от производства постепенно повышают свой уровень. Если сегодня вы просто создаете конструкторскую документацию в электронном виде, то уже завтра эта задача не будет вас удовлетворять. В этом случае при использовании T-FLEX CAD вы не встретитесь со стеной ограничений. Вы сможете включать в процесс разработки новые и новые инструменты.

T-FLEX CAD способен при помощи переменных управлять любыми параметрами элементов чертежа, включая размеры шрифта, размеры форматки, размеры листа. Он может вставлять в текст графические фрагменты (иконки), текстовые и числовые переменные; может управлять видимостью элементов, тем самым обеспечивая различные исполнения или конфигурации чертежа; поддерживает стандартные форматы передачи графической информации и т.д. Простое перечисление функциональных возможностей T-FLEX CAD может занять не одну страницу.

Безусловно, компания «Топ Системы» (www.topsystems.ru), несмотря на зрелость ядра, продолжит развитие параметризатора, предоставляя новые сервисные функции для пользователей. Мы с вниманием прислушаемся к мнению конструкторов, которые могут изложить свои соображения в форуме на нашем сайте (www.tflex.ru).

Время часто предъявляет к нам противоречивые требования, например: «больше информации в меньшем объеме». Можно считать, что это девиз 2D-параметрических систем современности, ведь в одном чертеже они могут представить тысячи типоразмеров изделия. Подобные системы вышли за рамки конструкторских отделов и активно используются информационными и маркетинговыми отделами предприятий.

В начало В начало

«САПР и графика» 11'2003