МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ ТЕЛ И СБОРОК Лекция 6
ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Реальные объекты всегда имеют определенный объем. Твердое тело содержит внутренний объем, ограниченный внешней поверхностью тела. Такое представление позволяет определять объем изделия, его массу, моменты инерции, центр тяжести и т. п. Геометрические объекты, у которых все размеры ненулевые, принято называть твердотельными, а моделирование таких тел называется твердотельным.
ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Необходимость численного расчета и анализа замкнутости и целостности объемных моделей выступает основной отличительной особенностью твердотельного компьютерного моделирования по сравнению с поверхностным моделированием, вызывает основные алгоритмические сложности программной реализации и требует значительных ресурсов памяти и быстродействия вычислительных машин.
ВИДЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Конструктивная твердотельная геометрия (Constructive Solid Geometry или использование базовых элементов формы) Представление с помощью границ (Bounded representation или B-rep) Позиционный подход
КОНСТРУКТИВНАЯ ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ Оперирует простейшими объемными примитивами, к которым относят прямоугольную призму, треугольную призму, сферу, цилиндр, конус и тор. Для описания объемных примитивов используют рассмотренные ранее аналитические поверхности. Над этими примитивами и полученными из них телами можно выполнять булевы операции и автоматически получить линии их пересечения в аналитической форме. Позволяет успешно моделировать большинство промышленных деталей. Этот подход гарантирует построение правильных твердых тел и покрывает 60 -70% потребностей моделирования, но оставшаяся часть требует использования поверхностей.
ГРАНИЧНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ Наиболее общий подход к описанию объемных тел Состоит в представлении тела совокупностью ограничивающих его объем произвольных поверхностей. Границы объекта (вершины, ребра, грани, оболочки) хранятся в памяти компьютера в параметризованном виде и должны точно стыковаться друг с другом. Системы твердотельного моделирования должны хранить не только поверхности, ограничивающие твердое тело, но все связи между ними, контролировать замкнутость и отсутствие щелей на стыках и швах. В В-rер моделях точность стыковки поверхностей составляет серьезную проблему. Такие операции называют «сшивкой» поверхностей. Достоинством этого подхода выступает то, что представление тел с помощью границ позволяет моделировать объекты произвольной формы и сложности.
ПОЗИЦИОННЫЙ ПОДХОД все рабочее пространство разбивается на элементарные объемы (ячейки) и деталь задают указанием заполненных или пустых ячеек
ПОЗИЦИОННЫЙ ПОДХОД ВОКСЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ Наиболее интересным и универсальным методом позиционного представления объемных тел является «воксельная геометрическая модель» . Весь объем, попадающий в габариты моделируемого изделия, разбивается регулярной сеткой на прямоугольные элементы и задается плотность заполнения каждой ячейки материалом. Воксельную модель можно считать трехмерным развитием растровых методов моделирования. Воксель (voxel, от английского volume - объем) по аналогии с пикселем (pixel) для плоскости. Варьируя плотность материала в вокселях от нуля до заданного максимального значения по аналогии с цветом в растровом изображении, можно получать объемные тела различной формы и структуры. Воксельное представление позволяет описать объемное тело с любой степенью погрешности в зависимости от числа использованных ячеек.
ТОПОЛОГИЯ Все перечисленные подходы к моделированию тел используют не только описания тел и поверхностей, но и топологическую информацию. Топология (topology) определяет структуру и связи элементов модели. Например, представление тел с помощью границ оперирует такими топологическими понятиями, как вершина, ребро, грань и оболочка. Оболочки состоят из набора граней. Оболочка отличается от поверхности тем, что кроме поверхности она несет информацию о связях с соседними гранями и об ориентации по отношению к внутреннему объему тела. С математической точки зрения одна внешняя и множество из нескольких внутренних оболочек (возможно, и пустое) однозначно описывают твердое тело. Но для редактирования объемного тела необходима еще информация о последовательности его построения.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТВЕРДОГО ТЕЛА В САПР должна включать: данные об объектах, составляющих тело; топологическую информацию о способах соединения объектов; информацию о последовательности построения модели.
МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ 3 D МОДЕЛЕЙ
ДЕРЕВО ПОСТРОЕНИЯ графо-аналитическая модель процесса построения геометрической модели – наглядное изображение алгоритма получения модели. В дереве построения представлена вся последовательность составляющих моделируемое тело объектов и операций с ними. Дерево построения и графическая область экрана динамически связаны. В режиме диалога пользователь может получить доступ и модифицировать объекты, операции и образующие эскиз линии и контура.
ДЕРЕВО ПОСТРОЕНИЯ дерево конструирования Feature manager дерево модели Model Tree навигатор модели Model Navigator
МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕЗ ИСТОРИИ ПОСТРОЕНИЯ обсуждаются возможности построения объемных геометрических моделей без сохранения истории построения, за счет расширения возможностей вариационной параметризации. Отказаться от дерева построения позволяет использование так называемых базовых конструктивных элементов (feature-based design), применение достижений искусственного интеллекта и объектноориентированного программирования.
СИНХРОННОЕ (ВАРИАТИВНОЕ) МОДЕЛИРОВАНИЕ Новая информационная технология, основанная на комплексном применении методов граничного представления объемных тел, вариационной параметризации, искусственном интеллекте и объектноориентированном программировании, предназначенная для повышения уровня автоматизации ЗD-геометрического моделирования
СИНХРОННОЕ (ВАРИАТИВНОЕ) МОДЕЛИРОВАНИЕ интерактивное порождение пользователем ЗDмодели технического объекта из конструктивных элементов, без обязательного предъявления ему дерева построения. динамическое перемещение конструктивов (перемещение отверстий, бобышек) динамическое редактирование формы (перемещение ребер, граней) оперативное заимствование конструктивов (распознавание элементов)
ОГРАНИЧЕНИЯ Недостаточная масштабируемость моделей (время решения растет значительно быстрее размера модели) ненатуральность (найденное решение не соответствует прагматическим ожиданиям пользователя) отсутствия гарантии решения
БУЛЕВА ГЕОМЕТРИЯ
МНОГОТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Многотельные модели состоят из нескольких объемных тел разделенных в пространстве Моделирование с нескольких сторон Создание тел вычитанием
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭСКИЗОВ Плоский эскиз (Sketch) первоначально создается пользователем на одной из базовых плоскостей системы координат, вспомогательной плоскости, получаемой с помощью специальных команд, или плоской грани объемной модели. Обычно эскизы строятся в виде замкнутых линейных фигур, ломаных линий или сплайнов. Если эскиз окажется разомкнутым, то он превратится в плоский лист малой толщины (Thin). На этом эффекте основаны приемы моделирования объемных изделий из листовых материалов (Sheet metal),
ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ЭСКИЗОВ
ОПЕРАЦИЯ ВЫДАВЛИВАНИЯ (EXTRUDE) Перемещение эскиза в направлении, перпендикулярном плоскости эскиза.
ОПЕРАЦИЯ ВЫДАВЛИВАНИЯ (EXTRUDE)
ОПЕРАЦИЯ ВЫДАВЛИВАНИЯ (EXTRUDE)
ОПЕРАЦИЯ ВРАЩЕНИЯ (REVOLVE) Вращение эскиза вокруг оси лежащей в плоскости эскиза Ось должна быть одна, а содержимое эскиза располагается по одну сторону от оси
ОПЕРАЦИЯ ВРАЩЕНИЯ (REVOLVE) Если контур эскиза разомкнут
ОПЕРАЦИЯ ВРАЩЕНИЯ (REVOLVE)
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ОПЕРАЦИЯ (SWEEP) Движение эскиза вдоль произвольной траектории, расположенной в плоскости не совпадающей с плоскостью эскиза сечения
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ОПЕРАЦИЯ (SWEEP)
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ОПЕРАЦИЯ (SWEEP)
ОПЕРАЦИЯ ПО СЕЧЕНИЯМ (BLEND, LOFT) Серия эскизов лежащих в разных плоскостях. Конечным эскизом может быть точка. Эскизы можно создавать в произвольном порядке, важен лишь порядок их соединения при построении поверхности Для получения «гладких» моделей нужно стремиться чтобы эскизы содержали одинаковое количество сегментов
ОПЕРАЦИЯ ПО СЕЧЕНИЯМ (BLEND, LOFT)
ОПЕРАЦИЯ ПО СЕЧЕНИЯМ (BLEND, LOFT)
ГИБРИДНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Некоторые САПР используют гибридные модели, в которых в различной мере смешиваются поверхностные и твердотельные объекты, т. е. в гибридных моделях в различной последовательности в качестве элементарных частей могут использоваться не только сплошные тела, заданные с помощью границ, но и свободные (неограниченные) поверхности и даже отдельные линии.
ГИБРИДНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Операции могут задаваться в неявной форме, типовыми конструктивными элементами, такими как бобышка (Boss), вырез (Cut), проточка, которые уже содержат все необходимые параметрические эскизы, что облегчает и автоматизирует процесс моделирования.
ГИБРИДНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Наиболее универсальным подходом считается сочетание различных методических приемов (конструктивные элементы и библиотеки), моделей (каркасные, поверхностные и твердотельные) и методов моделирования (конструктивная геометрия, поверхностное представление границ, позиционный метод). Гибридное моделирование позволяет комбинировать каркасную, поверхностную, твердотельную геометрию и использовать комбинации жесткоразмерного (с явным заданием геометрии) и параметрического моделирования
ГИБРИДНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Для удобства использования и освоения инженерами систем геометрического моделирования, конечно, лучше бы использовать единственную стратегию моделирования для всех изделий, но: Во-первых, часто приходится использовать данные, импортируемые из различных систем, а они могут иметь разные представления. Во-вторых, для ряда инженерных задач эффективнее работать с проволочными моделями или геометрией 3 D, описанной поверхностью. В-третьих, часто бывает проще иметь различные представления для разных компонентов. Например формообразующие поверхности, разрабатываемые для станков с ЧПУ, выгоднее моделировать поверхностью, а для конструкторских приложений - использовать твердотельное представление.
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ Геометрические модели изделий, создаваемые для промышленных компьютерных систем, не ограничиваются только описанием методов построения и численных значений параметров использованных в моделях примитивов. Они, как правило, дополняются специальными функциями, регламентирующими взаимодействие каждого примитива с другими (смежными) геометрическими объектами и данными, необходимыми для обеспечения оперативной модификации модели и автоматизации выполнения над ней различных геометрических операций преобразования.
ПРИВЯЗКИ Позволяют процессе диалогового построения геометрических моделей получить точные сопряжения примитивов между собой Привязки включаются при сближении характерных точек векторных геометрических объектов (концы и середина отрезков, центр окружности, точки пересечения, касания и пр. ) и автоматически «доводят» , т. е. точно сочленяют элементы геометрической модели между собой. В графических и плоских геометрических моделях эти связи не сохраняются, что позволяет упростить структуру данных и минимизировать объем потребной памяти.
НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Непараметрическими называют геометрические модели, в которых не сохраняются связи между составляющими их элементами и отсутствуют какие-либо правила и ограничения на операции построения и редактирования Удобны для автоматизации разработки технических рисунков, эскизов, чертежей и оформления проектно-конструкторской документации Не удобны при создании стандартных и повторяющихся элементов
БИБЛИОТЕКИ ЭЛЕМЕНТОВ Обеспечивают возможность использования стандартных параметризованных элементов Размеры задаются при вставке элемента Возможность пополнения библиотеки
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ наложение взаимных связей и ограничений на элементы геометрической модели с целью её дальнейшей целенаправленной модификации. Под взаимосвязью геометрических объектов подразумевается зависимость между параметрами нескольких объектов. Ассоциативность геометрических объектов подразумевает принадлежность и подчиненность одного объекта другому. Под ограничениями, наложенными на геометрические объекты, подразумеваются ограничения возможностей изменения параметров каждого отдельного объекта
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ Допускается только такое редактирование объектов, в результате которого не будут нарушены установленные взаимосвязи и ограничения Любой объект обладает определенным числом степеней свободы Каждый параметр или связь ограничивает некоторое количество степеней свободы Если ограничений меньше чем нужно- модель недоопределена Если больше – система переопределена Если ограничения противоречивы – система не имеет решения
ВЫСОКОАВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Уровень автоматизации при котором пользователь может производить модификацию модели в автоматизированном режиме (путем ввода параметров) Создание таких моделей – трудоемкая задача Целесообразна при разработке относительно несложных объектов (до 10 -50 параметров) Экономически эффективна при многократном использовании (создание элементов для справочников предприятия)
ПРОГРАММНАЯ (АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ) ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ Первые модели создавались на ЭВМ программным путем, на алгоритмических языках (ГРАФОРграфическое расширения языка ФОРТРАН, Auto. Lisp- Auto. CAD) Для целей адаптации САПР к нуждам потребителей В настоящее время практически все промышленные САПР снабжены подсистемами API (Application Programming Interface) интерфейс прикладного программирования. API представляет собой открытое средство доступа к библиотеке функций, содержащей все основные команды автоматизированной системы (в том числе и графическое ядро), в форме, пригодной для использования в любой современной среде программирования.
ПРОГРАММНАЯ (АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ) ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ Достоинством программной параметризации является универсальность, гибкость и отсутствие интерфейсных ограничений. Недостаток – необходимость освоения пользователем алгоритмического языка, а также необходимость приобретения какой-либо системы программирования (например, DELPHI или MS Visual Studio Профессиональное программирование требует не только знаний и опыта, но и подразумевает достаточно длительный цикл написания и отладки программного продукта.
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ПО ИСТОРИИ ПОСТРОЕНИЯ (ИЕРАРХИЧЕСКАЯ, HISTORY-BASED DESIGN) автоматически, по мере выполнения команд создания объектов модели, фиксируются связи и порождаются ограничения, определяемые приемами интерактивной работы пользователя (учитываются привязки, размеры, добавляются недостающие ограничения Плюс: связи и ограничения назначаются автоматически Минус: компьютер не в состоянии вводить функциональные зависимости, отличать основные параметры от второстепенных, делить переменные на внешние и внутренние
ЭСКИЗНАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ (ВАРИАЦИОННАЯ, VARIATIONAL) предусматривает установление связей между элементами, наложение ограничений и задание переменных, выражений и зависимостей самим пользователем системы геометрического моделирования в диалоговом режиме или автоматически — с помощью алгоритмов искусственного интеллекта.
ЭСКИЗНАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ (ВАРИАЦИОННАЯ, VARIATIONAL) Ассоциативные связи возникают автоматически при вводе следующих объектов: штриховки; обозначения (шероховатости, базы и пр. ); размера. В диалоге возможно задание аналитических зависимостей (уравнений и неравенств) между переменными, назначение внешних и информационных переменных. Информационные переменные недоступны для диалогового изменения, а внешние могут быть использованы в диалоге назначения численных значений переменным при вставке созданного стандартного элемента в геометрическую модель.
ЭСКИЗНАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ (ВАРИАЦИОННАЯ, VARIATIONAL)
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ОБЪЕМНЫХ МОДЕЛЕЙ Если для плоских геометрических моделей параметризация необязательна, то в процессе объемного геометрического моделирования без параметризации обходится очень сложно. При создании твердотельных моделей применяются все возможные типы графических элементов: точки, линии, поверхности. Многие линии задаются параметрическим образом, поверхности порождаются движением линий, а твердотельные примитивы формируются с использованием поверхностей, т. е. последовательность создания твердотельных моделей достаточно жестко предопределена. Кроме того, поверхности должны точно сшиваться (связываться) между собой, а также существуют требования и ограничения целостности и замкнутости объема.
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ОБЪЕМНЫХ МОДЕЛЕЙ Следовательно, связи, условия и ограничения являются непременным атрибутом твердотельного моделирования, за исключением нескольких частных случаев, когда правильные геометрические тела можно описать аналитически. Не сохранив в модели все правила связи и ограничения, использованные в процессе её построения, практически невозможно организовать редактирование и модификацию объемных тел, что совершенно необходимо для САПР изделий машиностроения. Благодаря тому, что иерархическая структура трехмерных элементов постоянно хранится в файлах моделей универсальных САПР, совершенно естественным образом реализуется иерархическая параметризация всех основных объемных моделей.
СВЯЗИ МЕЖДУ ТРЕХМЕРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ принадлежность эскиза плоскости или плоской грани; тип формообразующего элемента, построенного на основе эскиза; существование в эскизе проекции ребра (вершины) формообразующего элемента; связь вспомогательной оси или плоскости с опорными (базовыми) элементами, использовавшимися для ее построения; автоматическое определение глубины выдавливания формобразующего элемента (через все или до указанной вершины); соответствие всех параметров элементов массива (по сетке, вдоль кривой) и зеркальных копий параметрам исходных элементов; принадлежность круглого отверстия грани участие определенных ребер в образовании фаски или округления; отсечение части детали плоскостью или профильной поверхностью; участие определенных граней в образовании тонкостенной оболочки; ориентация ребра жесткости относительно плоскости эскиза этого ребра (ортогонально или параллельно); участие определенных граней в образовании уклона; участие определенных тел в булевой операции; вхождение определенных тел в область применения операции.
СВОЙСТВА СВЯЗЕЙ при изменении исходного элемента меняется производный от него элемент; производный элемент можно изменить путем редактирования исходного элемента и собственных, независимых параметров этого производного элемента; иерархические параметрические связи между элементами модели являются неотъемлемой частью объемной геометрической модели; пользователь не может отказаться от формирования параметрических связей или удалить их (в отличие от параметрических связей графических объектов в плоском эскизе); связи автоматически возникают по мере выполнения команд создания объектов модели и существуют, пока эти объекты не будут удалены или отредактированы.
ПРИМЕР ВЫСОКОАВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ПРАВИЛА СОЗДАНИЯ 3 D МОДЕЛЕЙ Результат объемного моделирования зависит от последовательности, поэтому необходимо тщательно продумывать стратегию построения модели. Желательно минимизировать количество необходимых для создания модели промежуточных этапов. Надо быть готовым к возможным ошибкам и неудачам и периодически сохранять промежуточные достижения, чтобы можно было после необратимой ошибки продолжить моделирование с предыдущего сохраненного этапа. Если результат недостижим одним путем, необходимо попробовать прийти к намеченной цели, используя другие пути и приемы.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ СБОРОК
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ СБОРОК
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ СБОРОК В ранних САПР существовала возможность моделирования только отдельных деталей В настоящее время сложность создаваемых сборок ограничена только объемом оперативной памяти
ЦЕЛИ Избежать изготовления физического прототипа. Иметь возможность выполнить с виртуальной моделью все, что можно сделать с реальным образцом изделия Возможность определить «нестыковку» в размерах и форме деталей, экономит на стоимости изготовления физического прототипа. проработать компоновку изделия, проверить увязку габаритных, установочных и присоединительных размеров, рассчитать массовоцентровочные характеристики и пр. Точная и оперативная проверка сопряжений и взаимопересечений деталей сборки, проектирование деталей непосредственно составе сборки, оптимизация конструкции изделия и технологии сборки, реализация технологий разнесения компонент и виртуальной реальности. Использование для разработки упаковки и операций складирования и перевозки продукции, технологий производства, ремонта и утилизации. Использование сборки в CAE/CAM/CAPP
БАЗОВЫЕ ФУНКЦИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СБОРОК Компьютерной моделью сборки (или просто компьютерной сборкой) принято называть трехмерную геометрическую модель изделия, объединяющую модели деталей, подсборок и стандартных изделий, а также информацию о взаимном положении этих компонентов и зависимостях между параметрами их элементов.
ДЕРЕВО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБОРКИ
СОПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СБОРКИ параметрические связи и ограничения, наложенные на элементы геометрической модели изделия. В сопряжениях могут участвовать грани, ребра, вершины, графические объекты в эскизах, а также вспомогательные элементы разных компонентов. На компонент, который уже участвует в одном или нескольких сопряжениях, можно наложить только такое сопряжение, которое не будет противоречить наложенным ранее. В сборке обязательно должен быть зафиксирован хотя бы один элемент (обычно первый добавленный)
ВИДЫ СОПРЯЖЕНИЙ совпадение элементов; параллельность элементов; перпендикулярность элементов; расположение элементов под заданным углом; расположение элементов на заданном расстоянии; касание элементов; соосность элементов.
КОНТРОЛЬ ПЕРЕСЕЧЕНИЙ является одной из важнейших функций для подсистем моделирования сборок в машиностроительных САПР. Система должна определять и визуализировать зоны пересечений выбранных пользователем компонентов сборки Расчеты пересечений можно периодически проводить по мере проектирования изделия. Это позволяет обнаружить ошибки на ранних этапах проектирования, оперативно провести необходимые изменения и сделать стоимость подобных изменений менее дорогой.
КОНТРОЛЬ ПЕРЕСЕЧЕНИЙ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТАЛИ В СОСТАВЕ СБОРКИ Возможность измерять входящие в сборку детали и узлы и переносить размеры на другие детали. Причем этот процесс можно производить непосредственно в контексте сборки. Пользователь может проецировать существующие детали на рабочую плоскость, а также использовать характерные точки элементов моделей для привязки в процессе построения новой детали. Это позволяет значительно ускорить проектирование, а также избежать появления возможных ошибок, а новая деталь идеально вписывается в заданные формы и габариты. В сборке можно выполнить формообразующие операции, имитирующие обработку изделия в сборе, например, создать отверстие, проходящее через все компоненты сборки, или отсечь часть сборки плоскостью.
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ СБОРОК возможность в интерактивном режиме не только задавать параметрические связи и ограничения, но и вводить проектные переменные и составлять для них практически неограниченный набор аналитических соотношений и формул. Ассоциативная связь между деталями приводит к тому, что при изменении одной детали остальные детали, связанные с ней, автоматически перемещаются или даже меняют свою геометрию. Параметризация стандартных и часто используемых элементов объемных сборок существенно может сэкономить время конструктора Инструменты параметризации: специализированный язык для формирования выражений, возможность связи с электронными таблицами (например, с Excel), возможность экспорта и импорта внешних переменных.
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ СБОРОК
РАЗНЕСЕНИЕ ОБЪЕКТОВ СБОРКИ позволяет облегчить восприятие компьютерной сборки человеком при просмотре объемной модели, состоящей из плотно упакованного множества деталей и узлов. Удобно для пояснения принципа действия машин и анализа состава изделия. Динамика разнесения резко повышает зрелищность презентаций результатов объемного моделирования. Для получения хорошего эффекта пользователь должен кропотливо, вручную задавать направление и расстояние для переноса каждого элемента. Создание документации и электронных руководств, а так же в учебных целях
МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ Дает возможность учесть ряд следующих возможных проблем, возникающих при проектировании движущихся частей машин и механизмов: проверку возможности движения элементов сборки и условия достижения ими запланированных промежуточных и крайних положений движущихся частей; анализ траектории движения элементов сборки; контроль пересечений и соударений движущихся частей; контроль обеспечения зон доступа к проведению работ сборщиков и обслуживающего персонала.
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СБОРОК Создание проблемно-ориентированных модулей и подсистем, предназначенных для решения узкоспециальных задач: Подсистемы моделирования кинематики и динамики движения (с учетом инерции и деформаций) Анимации и фотореалистичной визуализации Проектирования трубопроводов и трассировки кабельной проводки Библиотеки высокоуровневой автоматизации технической подготовки производства отдельных типов изделий (валов, шестерен, пружин)
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАЛОВ И ШЕСТЕРЕН
ФОТОРЕАЛИСТИЧНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
КАБЕЛИ И ЖГУТЫ 3 D
ПРОБЛЕМЫ РАБОТЫ СО СЛОЖНЫМИ СБОРКАМИ Проблемы точности формообразования при стыковке вдоль кривых (проектирование вставок и переходников) Проблемы потери и поиска файлов (хранение сборки в БД) Проблемы сохранности и передачи информации (применение PDM) Проблемы унификации и стандартизации элементов сборок (механизм ссылок на детали, PDM)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СБОРОК ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Сложные изделия проектируются большими коллективами -> параллельная работа PDM-системы аккуратно отслеживают состав изделия, все изменения деталей и узлов, их связь друг с другом, чтобы все участники проекта могли работать в реальном масштабе времени — «параллельно» . Моделирование сборок Моделирование «снизу вверх» Моделирование «сверху вниз» Смешанный способ
ПРОЕКЦИОННЫЕ ВИДЫ Техническая подготовка машиностроительного производства пока немыслима без чертежей, технологических карт и другой «бумажной» проектно-конструкторской документации, причем на разработку проектной документации тратится до 70% временных ресурсов проектировщика В обозримой перспективе замены чертежам нет!
ПРОЕКЦИОННЫЕ ВИДЫ Использование объемной модели позволяет автоматизировать формирование на чертеже сечений, местных разрезов, выносных видов В лучших САПР при проецировании создаются ассоциативные параметрические связи, которые могут автоматически поддерживать соответствие изменений объемной модели и связанных с ней видов.
АРГУМЕНТЫ Чертеж — это юридический документ, содержащий все подписи ответственных лиц. Только недавно в российских государственных стандартах было узаконено понятие «Документ технический электронный (ДТЭ)» , предусматривающий использование «электронных» подписей. Чертеж содержит многие обозначения, наличие которых не предусмотрено в ЗD моделях. Допуски, посадки, шероховатости, покрытия, технические требования и многое другое не входят в описание геометрии Конструкторская и технологическая документация используется в производственных подразделениях, не оснащенных компьютерной техникой Существуют такие детали, которые проще и дешевле изготовить по плоскому чертежу. И даже детали не требующие чертежа, только спецификации.
ПРИКЛАДНОЕ ПО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Создание полноценной геометрической системы, удовлетворяющей требованиям машиностроительного проектирования и производства, - весьма непростая задача, которая под силу только профессиональным коллективам программистов и математиков, многие годы специализирующимся на проблемах геометрического моделирования. Естественный отбор на рынке программного обеспечения и глубина специализации таковы, что к началу нынешнего века осталось только считанное количество результативно функционирующих групп профессиональных разработчиков «ядер» геометрических систем.
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ЯДРО Ядром геометрического моделирования принято называть базовое программное обеспечение, предназначенное для компьютерной реализации математического аппарата геометрического моделирования. Геометрическое ядро должно содержать полный набор подпрограмм, описывающих геометрические примитивы и производящих все геометрические преобразования и расчеты с ними. Ядро реализует операции по созданию и модификации трехмерных форм, включает модули для триангуляции сложной поверхности, удаления невидимых линий и рендеринга, а также поддерживают чтение и запись геометрических файлов популярных форматов В ядро, как правило, не входят проектные процедуры и интерфейсные функции, предназначенные для организации сценария интерактивной работы пользователя САПР.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЗОР ЯДЕР ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Ядро геометрического моделирования (Geometric modeling kernel, Graphics kernel) является сердцем каждой компьютерной системы ЗD-моделирования. Вычислительную часть компьютерных систем в иногда азывают «Солвер» (Geometric solver, от английского solve — решать). Ядро, воспринимает и обрабатывает команды прикладных программ, сохраняет результаты в виде файлов и даже может осуществлять вывод изображения на технические устройства отображения информации. С программистской точки зрения геометрическое ядро это объектно-ориентированная библиотека, реализующая взаимосвязанный набор функций, составляющих математический аппарат определенного метода геометрического моделирования, предназначенная для разработки прикладного программного обеспечения САПР.
ВОЗМОЖНОСТИ ЯДРА ДОЛЖНЫ ПОЗВОЛЯТЬ ОПЕРИРОВАТЬ: - созданием плоских (2 D) базовых примитивов (точек, линий, фигур) и выполнением операций преобразования с ними; - созданием объемных поверхностей (3 D) и набором операций отсечения и преобразования поверхностей; - созданием объемных (3 D) базовых элементов формы ; - описанием каркасных, поверхностных и твердотельных объектов; - нахождением пересечения, соприкосновения и удаленности плоских и объемных поверхностей и тел; - операциями сопряжения и сшивки поверхностей; - булевыми операциями над твердотельными объектами; - преобразованием объемного тела в тонкостенное (эквидистанта твердых тел); - расширенным набором операции для автоматизации моделирования (построения сечений, скруглений, фасок, симметричное отражение, копирование и создание массивов графических элементов и т. д. );
ВОЗМОЖНОСТИ ЯДРА ДОЛЖНЫ ПОЗВОЛЯТЬ ОПЕРИРОВАТЬ: - листовым моделированием (Sheet metal); - автоматическим проецированием и созданием ассоциативных видов; - вычислением массово-инерционных характеристик; - записью и сохранением моделей; - интерфейсом, позволяющим импортировать данные из других геометрических систем; - генерацией сеточного (топологического) описания поверхностей; - операцией компьютерной графики и визуализации моделей (моделирование цвета, отражения, теней, фактуры, рендеринг и т. д. ).
ТИПЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ЯДЕР - коммерческие, распространяемые по договору (лицензируемые) ядра; - свободно распространяемые, доступные в исходном коде (открытые) ядра; - закрытые, практически нераспространяемые (частные), ядра.
ЛИЦЕНЗИРУЕМЫЕ ЯДРА Разрабатываются профессиональной командой специалистов по компьютерному геометрическому моделированию и поддерживаются одной коммерческой компанией, которая лицензирует их (полностью уступает все права или передает на временное использование) другим компаниям для разработки собственных CAD-систем.
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ЯДРО PARASOLID (PARASOLID GRAPHICS KERNEL) Принадлежит фирме SPLMS (бывшая Unigraphics PLM Solutions — UGS). используется более чем в 200 различных программных продуктах. обеспечивает реализацию технологии твердотельного моделирования, интегрированные поверхности свободной формы и гибридное моделирование Solid. Works, Pro/DESKTOP, T-Flex CAD, Micro. Station Modeler, Iron. CAD, ANSYS, Adams, NASTRAN.
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ЯДРО ACIS 3 D GEOMETRIC MODELER (THE АСIS MODELING KERNEL) Разработано фирмой Spatial Corporation включает процедуры каркасного, поверхностного и твердотельного моделирования На базе ядра ACIS реализовано геометрическое моделирование в системах Cimatron, Master. Cam, CADKEY, Power Mill, Auto. CAD, Autodesk Mechanical Desktop и Autodesk Inventor. В настоящее время принадлежит компании Dassault Systemes (DS)
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ЯДРО GRANITE ONE Разработчик один из мировых лидеров в разработке машиностроительных САПР американская фирма РТС Используется в Pro/ ENGINEER
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ЯДРО C 3 D (АСКОН) геометрический моделировщик C 3 D Modeler, предоставляющий достаточный набор возможностей для твердотельного и гибридного моделирования, эскизирования и 2 D-черчения; решатель геометрических ограничений C 3 D Solver, позволяющий накладывать вариационные зависимости на 2 D и 3 D элементы геометрической модели; конвертер данных C 3 D Converter, обеспечивающий чтение/запись геометрической модели в основные обменные форматы.
ЗАКРЫТЫЕ (ЧАСТНЫЕ) ЯДРА ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Разрабатываются и поддерживаются самими фирмами-производителями прикладного программного обеспечения САПР для использования исключительно в своих системах. Эти ядра обычно не рекламируются и не документируются. Dassault Systemes, think. Z, VX Corporation, отечественные фирмы - «НПЦ «Гемма» (ГЕММА 3 D), НИЦ АСК (КРЕДО), СПРУТтехнологии (Sprut. CAD) и др.
ЗАКРЫТЫЕ (ЧАСТНЫЕ) ЯДРА ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Преимуществом «своих собственных» ядер является более глубокая интеграция с интерфейсом приложения. Как результат этого - большие возможности управления системой-пользователем, например, неограниченное число шагов отмены (отката, undo) и повтора (возврата, redo) выполненных команд. Собственное ядро даёт доступ к модели на самом низком уровне, что позволяет более гибко реализовывать многие проектные процедуры и сценарий диалога с пользователем. Сопровождение и развитие уникального ядра хоть и обходится дороже, чем покупка тиражируемого продукта, но оправдывается оперативностью развития, модификации и обновления.
ЯДРА С ИСХОДНЫМ КОДОМ Встречаются значительно реже, но представляют очень интересное и перспективное течение в компьютерном мире. Для пользователей, которые имеют сильные группы разработки (R&D —Research and Development) и хотят сами определять и настраивать все алгоритмы геометрического моделирования. Ядра, доступные в исходном коде, как правило, разрабатываются и поддерживаются одной компанией, а затем могут дорабатываться прикладными программистами для использования в различных научных и промышленных приложениях.
ЯДРА С ИСХОДНЫМ КОДОМ Open. CASCADE (Matra Datavision) SMLib (Solid Modeling Solutions)
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Локальная автоматизация рабочих мест и узких профессиональных задач не достаточно результативна Автоматизация даже всех отдельных рабочих мест может повысить общую эффективность лишь на 15 -20% Самый большой резерв экономической эффективности использования компьютерного геометрического моделирования лежит в области комплексной автоматизации производства и внедрения параллельного проектирования на базе компьютерных сборок
Скачать презентацию МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ ТЕЛ И СБОРОК Лекция 6
06_Моделирование объемных тел и сборок.ppt