ADEM: подготовка к третьему тысячелетию
Лидерство среди CAD/CAM-систем требует постоянного совершенствования программного продукта. При этом ключевыми моментами являются как модернизация существующих, так и создание новых функций, выделяющих систему из общей массы аналогов. О некоторых особенностях 7-й версии CAD/CAM ADEM, прототип которой впервые был представлен на SMAU 2000 — крупнейшей выставке программного обеспечения в Милане, рассказывается в этой статье.
Казалось бы, что в автоматизации проектирования уже давно высказаны все возможные безумные идеи и задуманы самые смелые проекты. Эта область науки перешла в инженерную практику, где важными являются в основном нюансы реализации. Но дело, как выясняется, не только в деталях. Рассмотрим, например, классическую, с точки зрения пользователя, задачу создания объемной модели по чертежу.
Постановка задачи выглядит весьма интересно. По чертежу, содержащему полное описание изделия, необходимо восстановить объемную модель данного изделия. При этом конструктор, как правило, не сомневается в том, что решение этой задачи теоретически возможно — ведь по чертежам создается реальное изделие, а не только его электронный аналог. Не утомляя читателя доказательствами невозможности общего решения, ограничимся лишь одним простым примером.
Если поручить прямую задачу построения чертежа по готовой детали нескольким исполнителям, то в результате будет получено несколько различных чертежей одного и того же изделия. А уж если прямая задача имеет множество решений, то обратная...
Но кое-что все же сделать можно. В современных системах объемного моделирования элементы плоской графики довольно часто применяются для построения 3D-объектов. Итак, плоский контур может быть использован в качестве профайла для выдавливания тела методом экструзии или для построения кинематической поверхности и т.п. Все это есть не что иное, как интерактивные способы генерации объемной модели по плоским данным.
Существенным является то, что для получения объемных моделей плоские элементы должны быть построены с заданной точностью. Это означает, что конструктор должен уметь не просто чертить, а моделировать на плоскости. Кстати, это серьезная проблема для большинства предприятий, где, например, для подготовки производства приходится заново строить точную геометрию по чертежам.
Попытки автоматически получить трехмерную модель по трем проекциям (упрощенная задача) предпринимаются начиная с 70-х годов. Разработчики системы ADEM также вели исследования в этой области. В частности, в первой версии системы была реализована процедура «масштабируемый лифт», что позволяло генерировать некоторый класс 3D-объектов по двум проекциям. Пользователи довольно успешно применяли данную функцию даже для построения корпусов летательных аппаратов.
Современные исследования Omega technologies ltd позволили подготовить к седьмой версии ADEM функцию восстановления объемной модели по двум и трем проекциям.
Данный метод охватывает довольно широкий класс деталей, а алгоритм относительно прост и очень надежен. Первый вариант этой функции, уже реализованный в версии 6.2, был представлен на вышеупомянутой выставке SMAU 2000. Особый интерес вызвало применение данного метода для проектирования колодок модельной обуви. Известно, что Милан считается центром всемирной обувной моды, поэтому к появлению новинок в этой области жители относятся примерно так же, как россияне к запуску новой космической станции.
Во время демонстрации системы ADEM президент выставки SMAU Антонио Эммануэли заметил, что, видимо, пришла пора европейскому рынку использовать наукоемкие технологии из России. (Кстати сказать, свою карьеру г-н Эммануэли начал с поставок оборудования Olivetti в Советский Союз.)
Одной из самых важных процедур для объемного моделирования является скругление углов (создание филетов). В реальной детали можно найти сотни поверхностей, которые описываются скруглениями. Скругления могут быть с постоянным и переменным значением радиуса по длине ребра, вдоль которого производится скругление. Современная система должна уметь строить скругления как на стыке аналитических, так и сплайновых поверхностей. Несомненно, что при работе со сплайнами расчет геометрии скругления значительно более сложен, при этом расчетная точность должна быть не менее 0,000001 мм.
Наиболее сложным является вопрос о стыке скругления на концах ребра, вдоль которого производится скругление, с соседними поверхностями. Эта задача может быть проиллюстрирована на простом примере стыка двух скруглений с различными радиусами. Очевидно, что для плавного перехода должна появиться соответствующая поверхность. Поэтому именно грамотная генерация таких поверхностей и является ключом к успеху функции скруглений.
Разнообразие форм изделий и, следовательно, случаев построений скруглений неограниченно, так что совершенствование данной функции происходит постоянно. Существуют несколько систем тестов качества построения скруглений. Разработчики ADEM применяют систему тестов, разработанную в Германии.
При построении выпукло-вогнутых филетов, когда вдоль скругляемого ребра значение угла между примыкающими поверхностями изменяет свой знак, смена знака происходит скачкообразно в некоторой точке. Cхождение нескольких филетов разного радиуса иллюстрирует построение переходных поверхностей.
Существует достаточное число изделий, которые можно отнести к классу тонких оболочек. Таких конструкций довольно много в приборостроении, авиационной, автомобильной и легкой промышленности.
В простейшем варианте принцип построения подобных объектов состоит в создании тела, эквидистантного исходному. Процесс построения эквидистанты к поверхности реализуется довольно просто, значительно более сложной является задача построения эквидистанты к телу, состоящему из нескольких поверхностей. Как и в скруглениях, здесь проблема кроется в стыках поверхностей. Основная задача разработчика состоит в устранении взаимопересечений и в затяжке разошедшихся стыков, при этом следует соблюдать гладкость и неразрывность топологии.
ADEM последних версий предоставляет конструктору возможность построения тонких оболочек автоматически. Задание расположения материала оболочки по отношению к поверхности исходного тела можно произвести произвольно — как симметрично, так и асимметрично. По желанию конструктора материал оболочки вообще может не касаться поверхности прототипа.
Для повышения жесткости и прочности тонкие оболочки требуют подкрепления в виде ребер. Современной функциональности системы ADEM вполне достаточно для того, чтобы быстро моделировать подобные конструкции. Причем ребра могут сразу же получать литейные уклоны, необходимые для изготовления методом литья или штамповки.
Описанные нами функции — лишь малая доля возможностей построения объемных тел в системе ADEM. Вообще говоря, только CAD-часть ADEM имеет более трех десятков функций по моделированию и оформлению чертежей. Очень сложно эффективно управлять системой и не запутаться в море столь разнообразных возможностей. Может быть, упростить ADEM, оставив лишь самое необходимое? Но в этом случае пользователи сразу же завалят компанию просьбами вернуть свои любимые кнопки.
Вначале разработчики ADEM пошли путем помодульной группировки команд. Условно единое пространство системы было разделено на три модуля: конструкторский (CAD), модуль подготовки ЧПУ (CAM) и модуль генерации и поддержки технической и технологической документации (TDM). Переключение между модулями осуществляется простым нажатием пункта головного меню. При этом содержание рабочего пространства едино.
Работа с пользователями показала, что этого недостаточно. Существуют, например, две группы пользователей. Одна из них работает с объемным и плоским моделированием и желает иметь доступ ко всей функциональности CAD-части. Вторая же группа работает только с плоским моделированием и оформлением чертежей. Для этой группы функциональность, связанная с трехмерными возможностями, является лишней, загромождающей экран.
Возможность конфигурации пользовательского варианта интерфейса в большинстве случаев также не является приемлемым решением. Во-первых, не каждый пользователь, особенно начинающий, может произвести такую конфигурацию. Для этого необходимо хотя бы понимать назначение всех функций. Во-вторых, иногда процесс конфигурации по каким-то неизвестным психологическим причинам перерастает в перманентное действо, заменяющее основной процесс проектирования.
Поэтому Omega technologies ltd провела ряд исследований, результатом которых стали стандартные конфигурации системы. Конфигурация «моделирование» предоставляет пользователю весь набор функций по плоскому и объемному моделированию. Конфигурация «черчение» открывает прямой доступ только к чертежным функциям, и тогда интерфейс становится похожим на первые версии системы ADEM — самой быстрой «чертилки».
Переключение между конфигурациями также осуществляется простым нажатием пункта головного меню. Важно отметить, что при любой конфигурации глубина вложенности команд на панелях не превышает двух.
Создание модели — это начало цикла проектирования и подготовки производства. Важнейшим этапом является проектирование оснастки. Для товаров народного потребления это в основном штампы и пресс-формы.
Компания Omega technologies работает в этом направлении уже довольно давно. И это не просто теоретические и программные разработки. Компания входит в консорциум предприятий по изготовлению штампов и пресс-форм и, так сказать, на «своей шкуре» ощущает всю сложность и уникальность данного производства. Следует отметить, что специфика отрасли предполагает наличие в системе мощного аппарата математического моделирования со специальными функциями, не свойственными другим производствам.
В качестве одной из особых задач можно предложить автоматическое определение разъема пресс-форм. В ряде случаев решение данной задачи — простое и представляет собой плоскость, рассекающую пресс-форму на две части. Во многих случаях это уже не плоскость, а поверхность, да к тому же не гладкая. Еще более сложный случай — многосвязная поверхность или группа поверхностей. В этом варианте предполагается пресс-форма, состоящая из нескольких частей.
Для традиционного интерактивного режима работы предлагается ступенчатое решение с участием пользователя. При этом необходимо несколько этапов: сначала — определение линии разъема, затем — поверхности разъема и далее — получение конструкции пресс-формы. В 7-й версии ADEM процедура разъема пресс-формы полностью автоматизирована. Пользователь может по желанию либо двигаться к цели традиционным путем, либо целиком положиться на интеллект системы.
Перед производителями обуви стоит, как правило, специфическая задача — получение моделей всех размеров по исходной модели. При этом недостаточно чистого масштабирования, так как процедура эта неконформная. В свое время данная задача была решена для некоторых частных случаев. В рамках выставки в Милане была достигнута договоренность о доработке предлагаемого Omega technologies ltd специального модуля системы под итальянские стандарты на базе API ADEM.
Следует отметить, что некоторые приложения, написанные сторонними разработчиками, войдут в поставку будущих версий.
Механообработкой по объемной модели сегодня мало кого удивишь. Но только специалист понимает, что главным здесь является не просто движение фрезы по поверхности, а только такое движение, которое обеспечивает необходимое качество. При этом во внимание принимаются время расчета и время обработки на станке, износ инструмента и оборудования. Многие CAD/CAM-системы производят механообработку с постоянным Z-уровнем на базе триангулированной модели. Идея такова: объемная модель аппроксимируется плоскими треугольниками (или многогранниками), а затем триангулированная модель рассекается семейством параллельных плоскостей. В результате получается группа контуров, которые берутся за основу для формирования траектории движения инструмента. Реализация подобного алгоритма довольно проста. Все это неплохо работает до тех пор, пока требуемая точность обработки низка. При значении погрешности 0,01-0,001 мм только триангуляция реальных моделей занимает недопустимое количество времени. Более того, из-за гигантского объема данных алгоритмы могут становиться неустойчивыми. Поэтому разработчики ADEM пошли по пути аналитического решения задач пересечения с моделью. При этом повышение точности приводит лишь к линейному возрастанию времени расчетов, что относится ко всем стратегиям обработки (зигзаг, петля, спираль и др.). Это позволяет конкурировать с самыми сильными представителями рынка CAM-систем.
Мы рассмотрели лишь некоторые свойства CAD/CAM-системы ADEM, продемонстрированные на одном из последних международных компьютерных форумов уходящего тысячелетия. Система занимает очень выгодную позицию среди других продуктов, поскольку сегодня ADEM, пожалуй, единственная интегрированная CAD/CAM-система среднего класса.
«САПР и графика» 12'2000
