Лидерство в разряде CAD/CAM систем требует постоянного совершенствования программного продукта. При этом ключевыми аспектами являются как модернизация существующих, так и создание новых функций, выделяющих систему из общей массы аналогов. О некоторых изюминках седьмой версии CAD/CAM ADEM, прототип которой впервые был представлен крупнейшей выставке программного обеспечения в Италии SMAU 2000, повествует данная статья.
Казалось бы, что в автоматизации проектирования уже давно высказаны все возможные безумные идеи и задуманы самые смелые проекты. Эта область науки перешла в нишу инженерной практики, где важными являются в основном нюансы реализации.
Но дьявол, как выясняется, скрыт не только в деталях. Рассмотрим например классическую, с точки зрения пользователя, задачу создания объемной модели по чертежу.
Постановка задачи выглядит весьма соблазнительно. 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 создается же по чертежам реальное изделие, а не только его электронный аналог.
Не будем утомлять читателя описанием доказательства 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. Например, 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.
 |
 |
Рис 1. Создание сборки по чертежу
Существенным является то, что для получения объемных моделей плоские элементы должны быть построены с заданной точностью. То есть, конструктор должен уже уметь не просто чертить, а моделировать на плоскости. Кстати, это больное место большинства предприятий, где, например, для подготовки производства приходится заново по чертежам строить точную геометрию.
Попытки автоматически получать трехмерную модель по трем проекциям (упрощенная задача) производятся начиная с семидесятых годов. Разработчики системы ADEM также вели исследования в этой области. Так, например, в первой версии системы была реализована процедура "масштабируемый лифт". Это 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.
Рис 2. Создание объемной модели по трем проекциям
Данный метод охватыват довольно широкий класс деталей. Алгоритм относительно прост и очень надежен. Первый вариант этой функции уже реализован в версии 6.2 и был представлен на международной выставке SMAU 2000 в Милане.
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 также, как россияне к запуску новой космической станции.
Рис 3. Модель комбинированной подошвы, восстановленная по проекциям
Во время демонстрации системы ADEM президент выставки SMAU Антонио Эммануэли заметил, что, видимо, настало время европейскому рынку потреблять наукоемкие технологии из России. Кстати сказать, свою карьеру г-н Еммануэли начал с поставок оборудования Olivetty 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 производитсяскругление.
Современная система должна уметь строить скругления как на стыке аналитических так и сплайновых поверхностей. Несомненно, что при работе со сплайнами рассчет геометрии скругления значительно более сложен. При этом расчетная точность должна быть не хуже чем 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. Так вот, грамотная генерация таких поверхностей и есть ключ к к успеху функции скруглений.
Разнообразие форм изделий и соответственно случаев построений скруглений неограничено. Поэтому совершенствование данной функции происходит постоянно. Существуют несколько систем тестов качества построения скруглений. Разработчики ADEM применяют систему тестов, разработанную в Германии. Для пояснения приведем лишь два примера из длинного списка.
 |
 |
Рис 4. Простые тесты: выпукло-вогнутое скругление и cхождение филетов разного радиуса.
Первый - построение выпукло-вогнутых филетов. Это случай, когда вдоль скругляемого ребра значение угла между примыкающими поверхностями изменяет свой знак. Происходит смена знака скачкообразно в некоторой точке.
Второй пример - схождение нескольких филетов разного радиуса иллюстрирует построение переходных поверхностей.
На следующем рисунке приведены более сложные примеры работы функции скруглений, демонстрирующие возможности системы ADEM.
Рис 5.Применение функции скругления
Существует довольно много изделий, которые можно отнести к классу тонких оболочек. Подобных 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 сложным 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 должна соблюдаться гладкость и неразрывности топологии.
ADEM последних версий предоставляет конструктору возможность построения тонких оболочек автоматически. Задание расположения материала оболочки по отношению к поверхности исходного тела может быть задана произвольно, как симметрично, так и ассимметрично. По желанию, материал оболочки вообще может не касаться поверхности прототипа.
Рис 6.Создание тонкой оболочки
Для повышения жесткости и прочности тонкие оболочки требуют подкрепления в виде ребер. Современной функциональности системы ADEM вполне достаточно, чтобы быстро моделировать подобные конструкции. Причем ребра могут сразу же получать литейные уклоны, необходимые для изготовления методом литья или штамповки.
Рис.7.Оребрение тонкой оболочки
Описаные нами функции - лишь малая доля возможностей построения объемных тел в системе ADEM. Вообще, только CAD часть ADEM имеет больее трех десятков функций по моделированию и оформлению чертежей. Как эффективно управлять и не запутаться в море столь разнообразных возможностей? Может быть упростить систему, оставив лишь самое необходимое? Ни в коем случае! Пользователи моментально завалят просьбами вернуть свои любимые кнопки.
Вначале разработчики ADEM пошли путем помодульной группировки команд. Условно единое пространство системы разделено на три модуля: конструкторский (CAD), 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 работат 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 эту конфигурацию. Для этого необходимо хотя бы понимать назначение всех функций. Во-вторых, процесс конфигурации иногда по какой то неизвестной психологической причине перерастает в перманентное действо, заменяющее основной процесс проектирования.
Всвязи с этой потребностью Omega Adem 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. В этой конфигурации интерфейс становится похожим на первые версии системы ADEM – самой быстрой чертилки.
Переключение между конфигурациями осуществляется так же простым нажатием пункта головного меню. Важно отметить, что при любой конфигурации глубина вложенности команд на панелях не превышает двух.
Рис 8. Конфигурации интерфейса "моделирование" и "черчение
Создание модели - это начало цикла проектирования и подготовки производства. Важнейший этап - проектирование оснастки. Для товаров народного потребления это, в основном, штампы и прессформы.
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 прессформ и можно сказать на "своей шкуре" испытывает всю сложность и уникальность данного производства.
Следует отметить, что специфика отрасли предполагает наличие в системе мощного аппарата математического моделирования со специальными функциями, несвойственными другим производствам.
В качестве одной из особенных задач можно предложить автоматическое определение разъема прессформ. В ряде случаев решение данной задачи простое и представляет плоскость, рассекающую прессформу на две части.
Рис 9. Плоский разъем прессформы для тонкой оболочки
Во многих случаях это уже не плоскость а поверхность, да к тому же не гладкая. Еще более сложный случай - многосвязная поверхность и даже группа поверхностей. В этом варианте предполагается прессформа, состоящая из нескольких частей.
Рис 10. Разъем прессформы для игральной кости
Для традиционного, интерактивного режима работы предлагается ступенчатое решение с участием пользователя. При этом необходимо пройти несколько этапов: определение линии разьема, затем поверхности разъема и далее – получение конструкции прессформы.
В седьмой версии ADEM процедура разъема прессформы полностью автоматизирована. Пользователь может по собственному желанию либо двигаться к цели традиционным путем, либо целиком положиться на интеллект системы.
Для производителей обуви есть одна нетривиальная задача - получения моделей всех размеров по исходной модели. При этом недостаточно чистого масштабирования, так как процедура эта неконформная. В свое время данная задача была решена для нескольких частных случаев. В рамках выставки в Милане была достигнута договоренность о доработке специального модуля системы под итальянские стандарты на базе API ADEM, предлагаемго Omega Adem technologies ltd.
Следует отметить, что некоторые приложения, написанные сторонними разработчиками, войдут в поставку будущих версий.
Механообработкой по объемной модели сегодня мало кого удивишь, пожалуй только специалиста. Только специалист понимает, что ключевым является не просто движение фрезы по поверхности, а такое движение, которое обеспечивает необходимое качество. При этом во внимание принимаются время расчета, время обработки на станке, износ инструмента и оборудования. Многие CAD/CAM системы производят механообработку с постоянным Z-уровнем на базе триангулированой модели. Идея эта довольно проста. Объемная модель аппроксимируется плоскими треугольниками (или многогранниками). Затем триангулированная модель рассекается семейством параллельных плоскостей. В результате получается группа контуров, которые берутся за основу для формирования траектории движения инструмента. Реализация подобного алгоритма довольна проста. Все это неплохо 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. Разработчики ADEM пошли по пути аналитического решения задач пересечения с моделью. При этом, повышение точности приводит лишь к линейному возрастанию времени расчетов. Последнее относится ко всем статегиям обработки (зигзаг, петля, спираль и др.), что позволяет конкурировать с самыми сильными представителями рынка CAM-систем.
Рис 11. Обработка Z-level на основе аналитических расчетов
Мы рассмотрели лишь некоторые свойства CAD/CAM ADEM, демонстрировавшиеся на одном из последних международных компьютерных форумов уходящего тысячелетия. Система занимает очень выгодную позицию среди других продуктов. Это связано с тем, что сегодня ADEM пожалуй единственный интегрированный CAD/CAM среднего класса.