Системы автоматизации проектирования

Несмотря на безусловный прогресс, системы технологического анализа все еще не лишены недостатков. В частности, основной применяемый в них метод конечных элементов требует наличия у пользователя специальной подготовки и квалификации расчетчика для гарантии достоверности результатов. Недавно со стороны ANSYS были предприняты новые попытки улучшения ситуации в новом приложении AutoFEA 3DValidation. Нельзя не вспомнить об успехе советской науки: в университете Минска был разработан новый математический подход, обходящийся без сетки конечных элементов [4]. Исследовательские работы были начаты в 1981 году и направлены на изучение соударений. Результаты были переданы компании Rand Technologies, которая выпустила продукт Procision для пакета Pro/Engineer.

Сегодня в качестве средства оценки изделия широкое распространение получило быстрое прототипирование (RP). На вход системы RP подаются STL-файлы, генерируемые по 3D-моделям. Применяется несколько разных технологий RP. В стереолитографическом процессе жидкие полимеры послойно отвердевают, принимая нужную форму под воздействием ультрафиолетового лазера. После построения прототип извлекается из формы, помещается в печь для окончательного отвердевания и сушки, далее делается полировка и шлифовка.

Наконец, твердотельная модель открывает уникальные возможности для подготовки производства: достигнуто пятикратное улучшение в точности обработки поверхностей и в четыре - шесть раз сокращено время программирования станков ЧПУ. Повышение качества изделия требует создания высокоточных траекторий инструментов, а для этого нужно генерировать гораздо большие объемы данных, поскольку режущему инструменту при этом необходимо сделать намного больше проходов по каждой траектории. Чтобы создать программу для ЧПУ при изготовлении типовой головки блока цилиндров, требуется работа 3-4 специалистов в течение, примерно, пяти месяцев, при этом генерируется около миллиона точек. Автоматическая генерация из твердотельной модели с помощью, например, CV Toolmaker выполняется за полчаса, учитывается два с половиной миллиона точек и достигается высота гребешков менее 0.0001 дюйма при промышленном стандарте в 0.0005 дюйма.

4. Большие сборки

Интерес к моделированию сборок рос эволюционно как со стороны пользователей, так и со стороны производителей. По мере того как пользователи CAD двигались к параллельному проектированию, когда команды технологов и проектировщиков стали работать совместно, сознание сместилось в сторону сборко-центричной и продукто-центричной концепции. Производители научились справляться с возрастающим объемами данных, разработав фундаментальные методы работы с большим числом компонентов.

4.1. Зачем нужны сборки

Несколько лет назад в большинстве CAD-систем было трудно построить сборку из нескольких десятков компонентов. Сейчас возможна работа со сборками из тысяч и десятков тысяч деталей. Пользователи теперь могут разместить отдельные детали на экране и получить электронное представление изделия - без фатальных сбоев системы или существенного замедления ее работы, в то время как раньше производительность измерялась длиной перерывов на кофе между двумя нажатиями на клавиши клавиатуры.

Области, которым требуются большие сборки, - это автомобильная, аэрокосмическая промышленность и машиностроение. Автомобили и самолеты состоят из более чем миллиона деталей, полиграфические прессы занимают площади в тысячи квадратных метров и содержат сотни тысяч компонентов. Даже подсборки, например двигатель, - это многие тысячи деталей.

Но почему все же требуются большие и постоянно увеличивающиеся в размере сборки? Прежде всего - чтобы избежать изготовления физического прототипа. Если путем компьютерного моделирования сборки проектировщик может зафиксировать нестыковку, он сэкономит на стоимости изготовления физического прототипа. Даже для такого простого изделия, как телефон, стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, создание модели мотора обойдется в полмиллиона, а полномасштабный прототип коммерческого авиалайнера будет стоить уже десятки миллионов.

Главная проблема, которая стояла перед разработчиками, - большой объем данных (десятки гигабайтов) для обычных рабочих станций. В ранних версиях CAD пользователи были вынуждены работать с отдельными деталями, по сути дела лежащих в основании системы. Везде были ссылки на детали, файлы данных назывались файлами деталей. Когда требовалось спроектировать сборку, нужно было физически поместить детали в один файл сборки, этот файл разрастался все больше и больше, в конце концов достигая таких размеров, что переставал загружаться в память компьютера. Даже если размеры не превосходили ограничений памяти, приходилось прилагать много усилий, чтобы сделать большой файл управляемым, например, помещая детали в разные слои. Но основной недостаток - физическое размещение моделей деталей в файле сборки серьезно лимитировало этот подход.

Существует и другая проблема. Во многих компаниях одни и те же детали используются в разных изделиях. Если трем пользователям был нужен один простой кирпич в трех разных сборках, они троекратно дублировали его. Требовалось наладить механизм ссылок на детали, а не их копирование, что решает обе проблемы. Дальше - больше, в этом состоянии средства моделирования сборок поддерживали индивидуальных пользователей. Однако наиболее сложные изделия проектируются не индивидуально, а, напротив, командами разработчиков, которые действуют параллельно.

Сегодня многие поставщики CAD-систем старшего класса выпустили средства, поддерживающие одновременный доступ пользователей к деталям и сборкам. Иногда они предлагаются в виде дополнительных модулей, как Assemly Modelling и Advanced Assemblies в EDS Unigraphics, Multipart Design и CAMU в CV, либо встраиваются в CAD, как, например, в CATIA.

Согласно [3] три компании - CV, IBM и EDS Unigraphics - являются сегодня ведущими производителями систем, моделирующих большие сборки. Это естественно, поскольку как следует из таблицы 2, их заказчиками являются крупные фирмы. Однако и другие разработчики, включая Hewlett-Packard, SDRC, Para-metric Technology Corp., Matra Division и Intergraph, предлагают аналогичные средства. Разница в размере сборок, которые могут быть реально созданы.

Таблица 2. Перечень некоторых крупнейших клиентов CV.

Существует два подхода к моделированию сборок: "сверху вниз" или "снизу вверх". В первом подходе вначале на экране создаются общие черты сборки в целом, а затем производится проектирование отдельных деталей. В подходе снизу вверх сначала создаются детали, которые потом собираются на экране. Средства моделирования сборок позволяют определять условия стыковки, типа "эта деталь соприкасается с этой вдоль этого ребра" или "это отверстие должно быть соосно этому отверстию". По большей части сборки с помощью стыковочных условий строятся достаточно просто. Затруднения вызывают ситуации, в которых сложные формы должны стыковаться вдоль криволинейной поверхности. Сейчас почти все производители поддерживают подход снизу вверх. Под кажущийся более естественным подход сверху вниз спроектирован новый продукт Solid Edge компании Intergraph.

4.2. Стратегии упрощения

Большинство средств моделирования сборок используют похожие стратегии для того, чтобы справиться с проблемой большого объема данных. Эти стратегии называются довольно свирепо - "сдирание кожи" или "облегчение" представления. Основная идея состоит в переходе к такому представлению, которое не содержит избыточных, с точки зрения конкретной деятельности, деталей.

Первая стратегия позволяет загружать только ту часть сборки, которая потребителю нужна для работы. Например, если инженер работает над носовым колесом самолета, то сборка самолета в целом используется им мало. Дело не только в том, что потребуется много времени для загрузки всех данных, - он не увидит все нужные детали своего колеса. Однако ему может понадобиться часть фюзеляжа, непосредственно окружающая носовое колесо, чтобы он мог проверить их взаимное расположение. Поэтому ему представлена возможность сказать системе: "Покажи мне эту деталь и эту область вокруг и забудь про остальное".

Существуют графические и неграфические средства для того, чтобы идентифицировать и получить доступ к нужной детали сборки. Графические средства - "ящик", пользуясь которым, инженер рисует прямоугольную область вокруг детали или просто обводит зону интереса - "все на расстоянии 2 метров от носа". В Solid Edge от Intergraph есть прекрасная функция PickQuick. Когда система не уверена, какой компонент пользователь пытается указать, она подсвечивает наилучший вариант, но предоставляет пользователю возможность просмотреть еще несколько вариантов.

Неграфические средства - это использование дерева частей сборки. Компания Intergraph называет это PathFinder (Solid Edge), а EDS Unigraphics - Assembly Navigation Tool. Пользователь просто указывает на имя части, которую надо загрузить, и эта часть показывается на экране. Другая опция - выбор частей по их параметрам, например "Загрузить все части, чей тип гидравлика" или "Загрузить все стальные части".

Вторая стратегия упрощения сборок дает возможность показать вид с меньшим числом деталей для некоторых компонентов. Используя такое средство, пользователь, проектирующий, например, внешний вид трансмиссии, просит ее показать, но вместо того, чтобы загружать сотни компонентов, входящих в состав трансмиссии, он может посмотреть ее обводы. Для этого он выводит историю создания частей и выбирает только те элементы, которые ему действительно нужны.

Третья стратегия использует сеточное представление геометрии деталей, а не их точное математическое представление, что требует значительно меньше времени и ресурсов. В большинстве систем моделирования сборок сеточное представление получается из математически точной 3D-модели и, технологический анализ выполняется с точными данными, хотя визуализируется сеточная модель.

Кроме проблем собственно моделирования сборок - создания, манипулирования, навигации - имеются проблемы управления данными. Одна из них состоит в обеспечении ситуации, при которой если кто-то изменил компонент, другие будут знать об этом. В версии 11 Unigraphics EDS имеется функция, позволяющая "освежить" сборку, чтобы увидеть прямо во время сеанса работы изменения, внесенные другими пользователями. Любой из них может резервировать детали или компоненты для их просмотра или модификации в составе сборки. Если какая-то деталь регистрируется для модификации, то участники, работающие со сборками, включающими данную деталь, информируются о ее статусе.

Цель создания сборок - представить все изделие в целом и иметь возможность выполнять все, что можно сделать с физической моделью. Наиболее очевидная задача - проверка совместимости деталей. Например, функция обнаружения взаимопересечений реализована в Advanced Designer CV или в Pro/Engineer. Есть и другой выигрыш. На модели сборки можно исследовать данные, которые за ней стоят. Например, проектировщик на модели сборки запрашивает все детали, вес которых превышает определенный предел, чтобы сфокусировать усилия по оптимизации именно на них. Снабженцы могут узнать, сколько деталей закупается у определенного поставщика или какие детали стоят больше некоторой суммы. В этом проявляется сила электронного определения изделия - использование модели для разнообразных функций, помимо тех, для которых они создавались.

5. Моделирование

Сегодня по-прежнему уделяется много внимания технологии 3D-моделирования. Ранее были разработаны основные методы для твердотельного и граничного (B-rep) пространственного представления геометрических объектов. Достижением современного периода можно считать методы построения поверхностей произвольной формы на основе B-сплайнов - NURBS, ставшие стандартом де-факто для проектирования сложных поверхностей.

Однако главной линией было даже не само моделирование, а способы модификации моделей, что очень существенно при итеративном характере работы. Кроме того, известно, что наибольший объем работ - это не само проектирование, а внесение изменений и исправление связанных с этими изменениями ошибок.

5.1. Параметризация

Компания PTC, вышедшая на рынок в 1989 году с Pro/Engineer, с самого начала сделала ставку на полную параметризацию всех моделей. С тех пор средства параметрического моделирования были реализованы во всех системах среднего и старшего уровня. Процесс параметрического моделирования можно описать следующим образом: в ходе построения система накапливает конструкционные параметры и соотношения между ними, а также формирует протокол (историю) создания геометрии, позволяя простым изменением параметров легко модифицировать и регенерировать модель. Важно, что параметрическая модель создается интерактивно, без какого-либо программирования (за исключением задания формул), и это вполне по силам пользователю. На данный метод опирается табличная параметризация, реализованная в CADDS, где параметры типовых деталей сведены в таблицу, а генерация нового экземпляра производится путем выбора из таблицы типоразмеров.