Подходы к автоматизации проектирования на базе средств параметризации CAD/CAM-систем
Во всех современных CAD/CAM-системах как среднего, так и высокого уровня имеются средства параметризации создаваемых компьютерных моделей объектов проектирования. Однако реальное использование параметризации в практике конструирования далеко не соответствует затратам разработчиков CAD/CAM-систем на создание этого аппарата.
Поэтому имеет смысл более подробно разобраться с вопросами применения средств параметризации к конструированию конкретных объектов. В данной статье рассматриваются два вопроса: где целесообразно применять параметризацию и как ее эффективно использовать.
Идея параметризации компьютерной модели детали, сборочной единицы очевидна, так как объект конструирования постоянно меняется: возникают новые идеи, выявляются ошибки, меняются условия производства и прочие факторы, постоянно приводящие к изменению конструкции. Чтобы эта идея работала, необходимо описать конструкцию объекта набором размерных характеристик, определяющих геометрию объекта, условия взаимосвязей и взаимоотношений отдельных элементов между собой. При этом набор параметров, которые описывают способ построения геометрии объекта, не совпадает с набором технических размеров, определяющих функционирование и изготовление объекта конструирования. В сущности, задача параметризовать конструкцию означает на самом деле создание алгоритма, который должен обеспечивать синтез конструкции из отдельных геометрических элементов (метод твердотельного моделирования), предусматривать возможности модификации конструкции в определенном диапазоне, описывать законы функционирования конструкции, отражать определенную технологию ее изготовления. Кто хотя бы немного занимался такими задачами, знает, насколько они сложны даже для относительно простых устройств, например таких, как технологическая оснастка (приспособления, штампы, пресс-формы).
Исследования показывают, что возможности изменения размерных характеристик значений параметров в рамках принятых конструктивных решений весьма незначительны, а существенное изменение параметров требует зачастую принятия других, новых конструктивных решений и соответственно ломки всего алгоритма параметризации конструкции, что означает переработку ее компьютерной модели.
Практика моделирования объектов в среде различных CAD/CAM-систем показывает, что если средства параметризации не являются навязчивыми (то есть ведутся системой автоматически) и если система располагает средствами управления деревом создания модели, то аппарат параметризации помогает конструктору в поиске вариантов конструктивных решений, в поддержке ассоциативных связей между геометрической моделью конструкции, ее чертежом, программой ЧПУ, конечно-элементной моделью расчета. Естественно, ассоциативность по всей цепочке — деталь/оснастка/программа ЧПУ — имеет смысл только в рамках технически допустимого изменения параметров конструкции. Для классов типизированных конструкций, для которых возможно построение алгоритма автоматизированного синтеза, аппарат параметризации можно рассматривать как средство разработки прикладных специализированных систем конструирования. При этом возникают задачи как поиска методов применения средств параметризации в конкретной области, так и использования этих методов в среде различных CAD/CAM-систем. Поскольку в данном случае речь идет о создании прикладных систем, то сразу же встает вопрос их переносимости в среду различных CAD/CAM-систем, что соответственно требует рассмотреть проблему совместимости этих систем по средствам параметризации.
А теперь рассмотрим процесс решения перечисленных задач на примере параметрического конструирования пресс-форм для литья под давлением изделий из пластмасс в интегрированной среде двух CAD/CAM-систем.
Проектирование пластмассовых изделий и пресс-форм для их литья требует работы как с оригинальными (дизайн изделия), так и типовыми конструкциями, каковой, например, является пресс-форма. Современные системы моделирования высокого уровня, к которым относится CATIA, позволяют обеспечить специальные требования к дизайну, эргономике либо аэродинамике изделия методами поверхностного и твердотельного моделирования. Проектирование типизированных деталей пресс-форм возможно на основе инструментов параметризации как самих деталей, так и их сборок. Каждый из этих этапов проектирования требует разработки соответствующих методов работы с компьютерными моделями как изделия, так и пресс-формы.
Средства параметризации позволяют создавать объектно-ориентированную среду для решения проектных задач в конкретной области. Работа с типовыми деталями требует инструментов управления их типоразмером. Для создания сборок типовых конструкций (например, пресс-форм) необходимы инструменты создания и управления сборками деталей, обеспечения их размерных взаимосвязей.
При разработке дизайна изделия необходимы более сложные инструменты поверхностного моделирования. При этом применение параметризации ограничивает гибкость модификации создаваемых форм. Параметрическая поверхностная модель описывается гораздо большим числом параметров, чем твердотельная. Количество параметров, которыми конструктор может свободно оперировать, — 10-40 (в зависимости от конструкции), что определяет сферу применения методов параметризации.
Идеальный вариант оснащения предприятия — когда все его подразделения работают на единой программно-технической платформе. На практике предприятия имеют системы различных классов. В таких случаях распределение этапов работ между системами проектирования выполняется с учетом специфики решаемых задач и возможностей имеющихся средств компьютерного моделирования. К примеру, предприятие имеет одно автоматизированное рабочее место (АРМ), оснащенное системой высокого уровня (например, CATIA, которая обеспечивает разработку дизайна изделия), и несколько АРМ, оснащенных системами среднего уровня (например, Mechanical Desktop для разработки пресс-формы и конструкторской документации). При параллельной работе конструктора изделия и конструктора-прессформиста над созданием пространственной модели изделия и модели конструкции пресс-формы (ПФ) целесообразно (рис. 1, 2) придерживаться следующих правил:
- в системе высокого уровня выполнять разработку дизайна изделия, получение формообразующих поверхностей деталей пресс-формы;
- типовые решения конструкции ПФ разрабатывать в системе Mechanical Desktop (размещение колонок, болтов, выбор пакета плит, охлаждения и пр.).
Для обеспечения функционирования такой интегрированной среды необходимо решить следующие вопросы:
- создать пользовательские приложения на базе библиотек параметризованных деталей в среде каждой из систем;
- организовать процесс проектирования ПФ при рациональном распределении проектных задач между системами разного уровня.
В качестве примера рассмотрим процесс сборки в среде Mechanical Desktop при работе над пресс-формой. Пресс-форма представляет собой достаточно типовую конструкцию из унифицированных деталей. За исключением формообразующих поверхностей матрицы и пуансона, детали ПФ представлены телами простой геометрической формы. Для организации проектирования пресс-формы в среде Mechanical Desktop выполнены следующие работы. Созданы сборка одного из типов конструкции ПФ и библиотека параметризованных деталей, входящих в состав этой сборки. Система обеспечивает параметризацию отдельных деталей и создание таблиц значений параметров, которые позволяют формировать несколько типоразмеров данной конструкции. Каждая деталь сборки представляет собой пространственную твердотельную модель с нанесенной сеткой параметров. Для создания детали необходимо создать контур, задать размеры контура через переменные, затем на контуре выполнить построение пространственной модели. Каждая операция 3D-моделирования системы — выдавливание, создание массива элементов и др. — может быть параметризована. Система позволяет выполнять параметризацию на любом этапе проектирования. С каждой деталью связана таблица параметров, содержащая описание всех типоразмеров детали. Выбор типоразмера детали может быть выполнен в любое время работы с деталью или с включающей ее сборкой. При этом обеспечивается возможность задания зависимостей параметров, что позволяет задавать зазоры между деталью и посадочным местом под нее, определять взаиморасположение элементов детали друг относительно друга и т.д. Как и в других системах пространственного моделирования, при выполнении операции создания геометрического элемента возможно задание не только численного значения параметра, но и переменной, описывающей этот параметр. К недостаткам системы можно отнести отсутствие возможности работы с симметричными элементами детали. Его легко устранить добавлением недостающего размера для симметричного элемента или путем применения функции «Создание массива» (array). При работе с параметризованной деталью при изменении типоразмера может происходить смещение центра детали в пространстве. Этот эффект не заметен при применении такой детали в сборке, где ее положение зафиксировано заданием требуемых способов контакта с соседними элементами. Можно также фиксировать элемент контура. При необходимости для фиксации в пространстве центра детали применяются дополнительные элементы. При создании контура детали нужно включать линию (линии) для задания параметра расположения детали относительно этой линии. Линия фиксируется в пространстве. При этом необходимо учитывать, что система может зафиксировать элемент в пределах ограниченного множества характерных точек элемента (конечной, пересечения, центра и т.д.).
Параметризованная сборка позволяет задавать тип соединения деталей — например, задание соосности или общей плоскости касания, что обеспечивает сохранение взаиморасположения деталей при изменении параметров деталей сборки. Допускается при задании связей между элементами контактирующих деталей назначать переменные. Создание сборки осуществляется на основе ссылок на детали, составляющие сборку. При работе над сборкой можно модифицировать ее детали либо в контексте сборки, либо открыв их как отдельные файлы. Новые детали можно создавать прямо на том месте, где они должны быть (в контексте сборки), и привязывать их к геометрии уже существующих деталей. Объемный прототип сборки обеспечивает:
- получение сборочного чертежа пресс-формы автоматически по указанию линии разреза;
- автоматическое обновление сборочного чертежа при модификации элементов сборки;
- проверку сборки на пространственные коллизии.
В процессе параметризации в Mechanical Desktop формируется таблица параметров, которая хранится в модели проектируемого объекта. Система работает с двумя типами таблиц параметров.
Таблица параметров активной детали обеспечивает выбор текущего значения параметров детали. Она может содержать несколько типоразмеров и быть скопирована во внешний файл в формате Excel (рис. 3б). Таблица Excel-формата может содержать один и более типоразмеров детали. Выбор типоразмера детали из такой таблицы доступен при активизации детали. Один Excel-файл может быть присоединен к нескольким деталям, каждой из которых может быть назначена только одна Excel-таблица. При работе со сборками возникает необходимость в соблюдении взаимного расположения элементов деталей. Для этого используются ссылки на общую таблицу, которая может содержать как переменные, так и формулы. Это позволяет выдерживать зависимость параметров детали и посадочного места для ее размещения. В качестве примера на рис. 4 показаны опора, контртолкатель, плита опорная и плита толкания пресс-формы.
Таблица глобальных параметров доступна для всех деталей модели сборки. Содержание таблицы может быть скопировано в файл текстового формата с расширением *.prm. Таблица хранит текущий типоразмер всех деталей в конкретной модели сборки. Данные из одной таблицы в процессе работы над деталью могут быть скопированы в другую таблицу. Параметры и их значения могут добавляться в таблицу по мере необходимости. Значения параметров из таблицы «Активные параметры детали» имеют приоритет по отношению к значениям параметров из таблицы «Глобальные параметры». Mechanical Desktop, как и любая система пространственного моделирования (среднего и высокого уровня), в качестве источника параметров может использовать любой заранее подготовленный файл соответствующего формата. В качестве такого файла может использоваться файл параметров, созданный в другой системе.
Для организации работы в интегрированной среде систем различного уровня CATIA—Mechanical Desktop в среде CATIA созданы параметризованные детали матрицы и пуансона. Применяемая параметрическая модель согласована с параметрической моделью соответствующих деталей ПФ в Mechanical Desktop. В процессе параметризации детали в CATIA формируется таблица параметров детали, которая хранится в ее геометрической модели. Таблица глобальных параметров сборки содержит параметры всех входящих параметризованных деталей. Данные таблицы можно скопировать во внешний файл текстового формата c расширением *.ра3_parm. Этот файл содержит все нанесенные на деталь управляющие параметры и их значения (рис. 3а).
Преимущества предлагаемой организации проектных работ:
- распараллеливание работ по проектированию ПФ на двух АРМ в системах различного уровня;
- единая среда для разработки внешней формы изделия, матрицы, пуансона, последующей разработки управляющих программ ЧПУ для их изготовления;
- устранение искажения информации при передаче информации между системами.
В общем виде схема работы представлена на рис. 5.
Для обеспечения взаимодействия и параллельной работы этих двух систем моделирования должны выполняться следующие условия:
- выполнение параметризации соответствующих деталей ПФ в каждой из систем по единой схеме;
- возможность передачи в среду Mechanical Desktop файлов таблиц параметров деталей ПФ из CATIA.
При работе с параметризованными библиотеками в интегрированной среде необходимо иметь информационные и программные средства для переноса параметризованных моделей деталей между системами. Из-за отсутствия возможности непосредственной передачи данных во внутренних форматах, которые используются в различных системах, возникает проблема трансляции данных, описывающих параметризованные детали. Рассмотрим решение этой проблемы на примере организации процесса проектирования пресс-форм в среде Mechanical Desktop.
Как упоминалось выше, Mechanical Desktop позволяет использовать файл параметров из другой системы моделирования. Формат записи в системах текстовых файлов параметров в общем случае имеет вид: <переменная> = <значение>. Разница создается за счет присутствия/отсутствия специальной шапки в файле (Mechanical Desktop) и символа конца строки, разделителя переменной и значения. Большинство систем обеспечивают работу с несколькими типами таблиц, которые могут храниться в определенном формате: таблицы Excel, текстовый формат. В Mechanical Desktop для работы с ПФ используется текстовый файл. Разница в формате устраняется конвертором, обеспечивающим преобразование форматов. Конвертор позволяет обновлять значения параметров сборки. Поскольку Mechanical Desktop и AutoCAD совместимы, программы для AutoCAD хорошо адаптируются для Mechanical Desktop. Поэтому работа программ для формирования чертежей и остальной технической документации может сочетаться с построением 3D-модели на основе выходных данных этих программ.
При проектирования пресс-формы пространственная модель необходима для проверки правильности конструкции. Конструкции пресс-форм конкретного предприятия содержат определенное число вариантов взаиморасположения и типоразмеров деталей конструкции. При работе с пресс-формой таблицы деталей конструкции можно объединить, что облегчает процессы корректировки и отслеживания вносимых изменений. Некоторые варианты конструкций деталей ПФ могут быть объединены. Например, для фланца на плите крепления базой может быть либо поверхность плиты, либо поверхность отверстия в ней. В таком случае кроме соосности на базовое отверстие (всегда присутствующее в этой плите) задаются поверхности (верхние) плиты и фланца и расстояние между ними (в виде формулы с применением коэффициента задания варианта). В качестве источника данных может служить любой файл. Поскольку файлы таблиц (активных параметров) не предусматривают операторов условий, переменные каждого варианта должны отслеживаться вручную или при помощи специального интерфейса. Рассматриваемая система позволяет получать деталь с варьируемым типоразмером и конструкцией (рис. 6). Каждая деталь имеет ограниченное число конструктивных элементов и их сочетаний. Для задания элемента, который может отсутствовать, необходимо предусмотреть «0» значения параметров. Однако система не всегда позволяет задавать «0» значения параметров. К таким операциям относятся, например, получение отверстий, параметры фаски. Поэтому необходимо предусмотреть задание привязочных параметров элемента, позволяющих выносить элемент за пределы базовой детали. Таким образом, в результате операции объединения или вычитания получаем «0». При этом следует учитывать, что задание отрицательных значений параметров возможно лишь в некоторых операциях (например, при создании массива). Данный способ позволяет получать конструкции с дополнительными отверстиями или без фасок. Все детали конструкции можно условно разделить на две группы: 1-я группа — плиты, брусы, которые устанавливаются друг на друга; 2-я группа — колонки, втулки, которые устанавливаются в плиты. Каждая из деталей этих групп может иметь различное количество ступеней, то есть могут отсутствовать/изменяться поверхности взаимодействия с плитой. При позиционировании деталей 2-й группы в деталях 1-й группы необходимо задавать не фиксированные связи между деталями, а формулы с переменными.
Таким образом, для получения сборок требуемых конструкций пресс-форм необходимо выделить основные базовые конструкции деталей и создать сборки базовых конструкций ПФ. Количество вариантов должно быть откорректировано с учетом условия отсутствия зависимостей на возможно отсутствующий конструктивный элемент.
Задание связей между деталями должно вестись с учетом наличия вариантов базирования или вариантов конструкции детали. Такой подход позволяет при разработке сборок конструкции экономить место для хранения ее деталей и создавать более универсальные библиотеки и сборки для типовых конструкций.
Приведенные выше методы работы с параметризованными конструкциями и методы обмена данными между системами различного уровня позволяют рассматривать средства параметризации как первый уровень создания прикладных программных комплексов, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность использования универсальных CAD/CAM-систем.
«САПР и графика» 12'2000
