ADEM - интегрированная система для конструкторско-технологической подготовки производства. Одной из главных задач, решаемых системой, является объемное моделирование изделий от простых деталей до сложных сборок. Этой проблеме и посвящена статья, состоящая из трех частей: построение объемных тел, модификация объемных тел и построение объемных сборок.
Часть I. Построение объемных тел
Уникальной особенностью системы ADEM является универсальность - возможность применения ее как в качестве легкой системы, так и в качестве системы высокого уровня.
Обладая спектром свойств от «чертилки» до сложного пространственного дизайна, система может поддерживать процесс проектирования на всем отрезке жизненного цикла изделия. Интегрированность с технологическими модулями обеспечивает сквозной процесс конструкторско-технологической подготовки производства.
Сегодня все большее число конструкторов применяют для решения задач объемное моделирование. В некоторых областях техники без него просто не обойтись. Посмотрите, например, на товары народного потребления. Все эти чайники, фены, телефоны и пр. имеют внешний дизайн, который точно определить чертежом просто невозможно.
Объемная модель (как впрочем и плоская) является, в отличие от чертежа, однозначным геометрическим представлением изделия. Современная точность определения пространственных координат любой точки математической модели CAD/CAM/CAE систем составляет десять в минус шестой степени миллиметра, а иногда и десять в минус девятой.
Особая нагрузка приходится на модели обводообразующих деталей. Например, создание объемной сборки электрофена требует значительно меньшее количество ресурсов, чем проектирование внешних обводов его корпуса. Практика показывает, что в большинстве случаев без объемной сборки можно обойтись. А вот без объемной модели детали, по которой потом будет изготавливаться оснастка, штампы, прессформы, обойтись нельзя.
Рис.1 Кожух и двигатель для легкого дирижабля.
Объемное моделирование системы ADEM является естественным продолжением плоского конструирования. Тот факт, что пространственное проектирование базируется на хорошо развитой плоской системе, обеспечивает продукту несомненные преимущества. Моделирование и черчение это единое пространство проектирования, где любые фрагменты эскиза, чертежа и пространственные объекты могут быть использованы для трехмерных построений.
Все плоские элементы (линии, окружности, дуги, кривые, контуры, тексты и т.п.) могут быть расположены не только в плоскости, но и в пространстве. Позиционирование объектов может производиться как при их построении, так и в любой другой момент.
Для удобства позиционирования используется понятие "рабочая плоскость", которую можно устанавливать различными способами в динамическом режиме. Среди способов установки рабочей плоскости: основные плоскости, по трем точкам, касательно грани, через центр грани и т.п.
Рис.2 Расположение плоских и объемных элементов в пространстве
ADEM поддерживает множество способов построения объемных тел. В основе каждого трехмерного объекта лежат плоские или объемные элементы, которые далее будем именовать профилями. Рассмотрим несколько наиболее простых способов создания объемных тел.
СМЕЩЕНИЕ (экструдия) - подъем группы профилей по заданному направлению. При этом композиционные (пересекающиеся) профили и профили с островами создают монолитные тела. Эта особенность экструдии в системе ADEM позволяет существенно сократить время моделирования.
Другой особенностью является возможность задания положительных и отрицательных литейных уклонов. При этом углы для внешних и внутренних контуров могут быть различными. Система автоматически определяет, из чего получается тело, а из чего отверстие.
Согласно принятому правилу, если профили являются замкнутыми контурами, то образуется твердое тело, если нет, то - поверхностная модель.
Рис.3 Комплексное смещение
В комплексном смещении, как и в других процедурах, могут принимать участие фрагменты объемных тел. Это могут быть группы ребер и поверхностей. Направление экструзии соответствует направлению оси Z текущей рабочей плоскости, которая может и не совпадать с плоскостью профиля.
Рис.4 Комплексное смещение поверхностей
ВРАЩЕНИЕ - вращение группы профилей относительно заданной оси. Точно так же, как и экструдия, вращение работает с группой профилей, учитывая пересечения и острова. Пользователь может задать необходимый угол и получить замкнутые или незамкнутые тела вращения произвольного сечения.
ДВИЖЕНИЕ - движение группы профилей вдоль направляющей. Данная процедура также является комплексной. Направляющая может быть составной из отдельных элементов.
Рис.5 Комплексные вращение и движение
ЛИФТ - движение профилей по двум гладким направляющиим с одновременным масштабированием. Операция предназначена для создания объектов типа «патрубков переменного сечения». Может применяться как разновидность процедуры слияния для конформных сечений. Очень часто применяется при проектировании посуды и тары для жидкостей.
ПРОВОЛОКА и ТРУБА - схожие процедуры, предназначенные для создания цилиндрических и конических тел с прямолинейной и криволинейной осью. Труба имеет внутреннюю полость. Входные параметры: диаметр начала, диаметр конца, толщина стенки и направляющая (осевая линия). Направляющая линия может быть составной и негладкой.
Рис.6 Лифт, проволока и труба
ОТВЕРСТИЕ - разделка отверстий произвольной формы в одном или нескольких телах. Отверстия могут быть сквозными и глухими. В качестве параметров могут быть заданы глубина и угол конусности. Для сквозных отверстий положение профиля относительно тела не имеет значения. Для глухих отверстий глубина измеряется от плоскости профиля.
ДОБАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА - создание приливов на теле. Имеются три разновидности: добавление движением профиля от тела, добавление движением профиля до тела и выдавливание части поверхности тела на заданную высоту. Все эти три метода позволяют эффективно создавать многопрофильные объекты, описывающие большой класс деталей.
Рис.7 Отверстия и добавление материала
СЛИЯНИЕ - создание объектов, соединяющих тела. В зависимости от задаваемых аспектов напряженности, слияние может принимать различные формы от ломаного до плавного. Переход от одной грани к другой учитывает направление касательных соседних граней, что позволяет создавать гладкие поверхности. Одна из разновидностей метода - радиальное слияние цилиндрических объектов. Обеспечивает сопряжение в виде гнутых труб, часто применяется для задач моделирования трубопроводов и траcc.
Рис.8 Слияние
ПОСТРОЕНИЕ ПО ПРОЕКЦИЯМ - создание тела по двум и трем проекциям. Большой класс объемных объектов может быть создан по главным проекциям. Для этого проекции должны быть созданы по правилам начертательной геометрии и соответственно расположены на плоскости. На практике достаточно изображения основных контурных линий.
Чтобы построить объемное тело нужно указать проекции в последовательности: главный вид, вид сверху и вид сбоку. Любой из данных видов может быть пропущен по желанию конструктора.
Следует отметить, что данная процедура имеет высокую степень автоматизации и основана на устойчивых алгоритмах.
Рис.9 Построение по проекциям
Функциональность ПОВЕРХНОСТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ обеспечивают в первую очередь операции построения: ПО СЕЧЕНИЯМ, ПО СЕТКЕ, ПО ТРЕУГОЛЬНИКУ и др. Для «вылечивания пустот» применяются процедуры ЗАШИВКИ отверстий и ЗАТЯГИВАНИЯ острых углов. Для расширения поверхностей предусмотрена функция ПРОДЛЕНИЕ.
На самом деле, в системе ADEM нет разделения объектов на твердые тела и поверхности. С любым объемным объектом можно производить процедуры ОБРЕЗКИ, РАЗДЕЛЕНИЯ, СКРУГЛЕНИЯ и другие, в том числе и логические.
Для «разваливания» тел на отдельные грани применяют функцию РАЗБОРКИ. Для сборки можно применять СШИВКУ поверхностей. Например, для создания твердого тела из поверхностей, полученных в формате IGES с потерей топологии, достаточно их сшить с заданной точностью.
Рис.10 Комбинированное моделирование корпусов электро-музыкальных инструментов
СКРУГЛЕНИЕ - важнейшая функция для построения моделей. Основное назначение состоит в радиальном сглаживании острых углов. Функциональность необходима в первую очередь для моделирования деталей. На объемных сборках применяется не так часто потому, что не несет там особой смысловой нагрузки. Задача построения скруглений является одной из самых сложных и самых нужных в объемном моделировании. По тому, как решена эта задача, определяют уровень системы моделирования.
Острые углы могут идти как вдоль ребра, по которому состыкованы поверхности, так и находиться в вершинах, где сходятся несколько ребер. Поэтому в системе ADEM реализовано универсальное сглаживание. Нередко требуется скругление переменным радиусом. Для этого достаточно указать характерные точки на ребре (ребрах) и задать значения радиуса.
Для скругления переменным радиусом важным является закон по которому происходит изменение значения между контрольными точками. Не вдаваясь в подробности, скажем лишь, что ADEM формирует законы изменения оптимальным образом автоматически.
Рис.11 Примеры скруглений
ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ - построение объемных тел на базе других объемных объектов. Одна из главных функций современного твердотельного моделирования. Основными процедурами являются: объединение, дополнение и пересечение.
Объединение создает одно тело из нескольких. Дополнение, более известное в конструкторской среде как вычитание, создает одно или несколько тел. Управление дополнением построено на простом условии, что из первого указанного тела вычитаются все остальные указанные тела. Пересечение тел создает также один или несколько объектов. При этом находятся общие части первого указанного тела с остальными.
Логика взятия первого указанного тела в качестве объекта вычитания или пересечения удобна для пользователя и в значительной мере повышает производительность при создании моделей. В остальном функциональность логических операций мало чем отличается от других современных CAD систем. Следует отметить, что в ADEM логические операции также применимы и к плоским фигурам и эффективно используются при черчении.
Основным геометрическим ядром объемного моделирования является пакет ACIS (Spatial Technology). Сегодня это один из лучших пакетов для CAD систем. На базе ACIS написано довольно много программных продуктов, а формат SAT стал стандартом обмена данными. Благодаря этому ядру ADEM имеет прямой интерфейс с основной группой CAD - систем, таких например как AutoCAD, Catia, SolidWorks, IronCAD, CadKey и др.
Для обмена данными с группой продуктов Parametric Technology (ProE, ProDeskTop и др.) проработан обмен данными по форматам IGES и STEP. Эта работа была проведена фирмами совместно.
Второй аппарат геометрического моделирования GRACH, разработанный Omega technologies, используется для расширения некоторых возможностей системы. Так, например, некоторые случаи скруглений основаны на двух ядрах ACIS и GRACH.
Мы рассмотрели лишь часть функциональности системы ADEM для построения объемных тел. Общее число функций, предназначенных для этого, более пятидесяти. Некоторые процедуры имеют высокую степень автоматизации, другие наоборот работают на низком уровне топологии. Это позволяет применять различные подходы к моделированию.
Опыт показывает, что переход от традиций плоского черчения к объемным моделям в ADEM происходит без особых затруднений. Так как способы управления едины для любой идеологии проектирования, конструктор не нуждается в дополнительной подготовке и переучивании. Более того, конструктор сам может назначать наиболее удобную для себя стратегию проектирования изделия.