Курс лекций дисциплины «Компьютерные технологии и сапр» для студентов специальностей 120500, 120507, 120700 очной

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Тольяттинский государственный университет
Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства и пайки»

ТЕХНОЛОГИИ СОПРОВОЖДЕНИЯ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ (CALS технологии)

Курс лекций дисциплины «Компьютерные технологии и САПР» для студентов специальностей 120500, 120507, 120700 очной,

очно-заочной и заочной форм обучения.

Тольятти 2007 г.

Введение

Современное производство сложной техники подразумевает согласованную работу многих предприятий. Поскольку процессы проектирования и управления производством на предприятиях выполняются с помощью автоматизированных систем, то успешная производственная деятельность подразумевает необходимость информационного взаимодействия таких систем. А так как цель промышленного производства - создание изделий требуемого качества, удобных в освоении и обслуживании в процессе эксплуатации, то информационное взаимодействие необходимо также между изготовителями и потребителями продукции.

Для обеспечения согласованной работы всех предприятий, участвующих в проектировании, производстве, реализации и эксплуатации сложной техники, используется соответствующая информационная поддержка этапов жизненного цикла промышленных изделий. Такая поддержка получила название CALS (Computer Aided Logistics Support-компьютерная поддержка логистических процессов). В настоящее время эту аббревиатуру принято расшифровывать иначе, а именно Continuous Acquisition and Lifecycle Support, что по-русски может быть представлено как КСПИ (компьютерное сопровождение и поддержка жизненного цикла изделий).

Назначение CALS-технологий - обеспечивать предоставление необходимой информации в нужное время, в нужном виде, в конкретном месте любому из участников жизненного цикла промышленных изделий. Для этого создаются корпоративные комплексные системы проектирования и управления, системы электронного бизнеса (E-commerce), системы интегрированной логистической поддержки и т.п.

В условиях развития электронного бизнеса участниками жизненного цикла конкретного изделия могут стать юридически и территориально не связанные друг с другом предприятия. Однако электронный бизнес подразумевает возможность их совместного участия в логистических процессах, в том числе через взаимодействие в заказах материалов и услуг, в цепочках поставок комплектующих или готовых изделий и т.п. Совокупность предприятий, взаимодействующих через процедуры E-commerce, принято называть виртуальным предприятием. Очевидно, что информационная поддержка этапов проектирования и производства должна касаться не только внутренних для корпоративной системы процедур, но и прежде всего процедур, обеспечивающих работу виртуальных предприятий.

Основные задачи CALS-систем:

• структурирование и моделирование данных об изделиях и процессах;

• обеспечение эффективного управления и обмена данными между всеми участниками жизненного цикла изделий;

• создание и сопровождение документации, необходимой для поддержки всех этапов жизненного цикла изделий.

Эффективность управления данными подразумевает прежде всего представление информации в форме, обеспечивающей легкость ее восприятия и однозначное ее понимание всеми участниками жизненного цикла изделий. Это требование распространяется на любую документацию, используемую в разных процедурах этапов жизненного цикла. В частности, важное значение в CALS-системах придается задаче обучения персонала, обслуживающего сложную технику, и, следовательно, задаче минимизации усилий при разработке и использовании технических руководств и учебных пособий по обслуживанию изделий.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ЕГО ЭТАПОВ

1. ПРЕДПОСЫЛКИ И ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ CALS-ТЕХНОЛОГИЙ

CALS-технологии призваны служить средством, интегрирующим промышленные автоматизированные системы в единую многофункциональную систему. Целью интеграции автоматизированных систем проектирования и управления является повышение эффективности создания и использования сложной техники. В чем выражается повышение эффективности?

Во-первых, улучшается качество изделий за счет более полного учета имеющейся информации при проектировании и принятии управленческих решений. Так, обоснованность решений, принимаемых в автоматизированной системе управления предприятием (АСУП), будет выше, если лицо, принимающее решение, и соответствующие программы АСУП имеют оперативный доступ не только к базе данных АСУП, но и к базам данных других автоматизированных систем - системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП) и автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУТП) и, следовательно, могут оптимизировать планы работ, содержание заявок, распределение исполнителей, выделение финансов и т.п. При этом под оперативным доступом необходимо понимать не просто возможность считывания данных из баз данных, но и легкость их правильной интерпретации, т.е. согласованность по синтаксису и семантике с протоколами, принятыми в АСУП. То же относится и к другим системам, например, технологические подсистемы должны с необходимостью воспринимать и правильно интерпретировать данные, поступающие от подсистем автоматизированного конструирования. Последнего не так легко добиться, если основное предприятие и организации-смежники работают с разными автоматизированными системами.

Во-вторых, сокращаются материальные и временные затраты на проектирование и изготовление изделий. Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания ранее выполненных удачных разработок компонентов и устройств, многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в базах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю CALS-технологиями. Доступность опять же обеспечивается согласованностью форматов, способов, руководств в разных частях общей интегрированной системы. Кроме того, появляются более широкие возможности для специализации предприятий, вплоть до создания виртуальных предприятий, что также способствует снижению затрат.

В-третьих, значительно снижаются затраты на эксплуатацию благодаря реализации функций интегрированной логистической поддержки. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации и т.п.

Эти преимущества интеграции данных достигаются применением современных CALS-технологий.

CALS-технология - это технология комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, комплексность обеспечивается унификацией и стандартизацией спецификаций промышленных изделий на всех этапах их жизненного цикла. Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документацией. В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте.

CALS-технологии зародились в 1980-е годы в недрах военно-промышленного комплекса США в связи с планами США в области СОИ (стратегической оборонной инициативы). Поэтому не удивительно, что среди имеющихся CALS-стандартов фигурирует большое число стандартов и рекомендаций DoD (Министерства обороны США). Для реализации планов СОИ требовались совместные усилия многих промышленных компаний и предприятий в проектировании, производстве и логистической поддержке сложных изделий, а это означало необходимость унификации представления данных об изделиях. Было осознано, что для взаимодействия автоматизированных систем разных предприятий нужна унификация не только формы, но и содержания (семантики) проектной, технологической, эксплуатационной и другой информации о совместно производимой продукции. Другими словами, требовалось создание единой информационной среды взаимодействия всех крупнейших фирм американского военно-промышленного комплекса.

Оказалось, что это чрезвычайно сложная проблема, решение которой требует длительной и многосторонней проработки в масштабах, выходящих за пределы одной страны. Выяснилось также, что создание единой информационной среды требуется не только для уникальных программ типа СОИ, но и для производства любых сложных систем, в первую очередь военной техники, если их производство основано на взаимодействии многих предприятий.

В связи с возникшими практическими потребностями рядом комиссий и комитетов в рамках международных организаций были начаты работы по созданию информационных технологий взаимодействия предприятий и выражающих их международных стандартов. Например, в Международной организации стандартизации (International Standard Organization - ISO) этими вопросами занимается подкомитет SC4 комитета ТС184. В SC4 имеется несколько рабочих групп, занимающихся конкретными сериями стандартов. В настоящее время в ведущих индустриальных странах мира созданы национальные органы, координирующие работу в области CALS-технологий. В международном масштабе развитием CALS помимо ISO занимаются и такие организации, как ICC (International CALS-congress), EIA (Electronics Industry Association), IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и др. В России в рамках Госстандарта создан технический комитет № 431 «CALS-технологии».

В 1990-х годах разработан и к настоящему времени принят ряд серий международных стандартов, представляющих CALS-технологии, среди которых наиболее значимы стандарты ISO 10303 STEP (Standard for Exchange of Product data). В контрактах, заключаемых на поставку зарубежным заказчикам военной техники, требования к изделиям и документации на них, как правило, формулируются с позиций международных CALS-стандартов и стандартов DoD (последние имеют префикс MIL).

Развитие CALS-технологий стимулирует образование виртуальных производств, при которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными организациями.

Ожидается, что успех на рынках сложной технической продукции будет немыслим вне CALS-технологий. Так, уже сегодня фирмы, предлагающие военную технику без электронной документации, выполненной в соответствии с CALS-стандартами, не имеют никаких шансов на успех в конкурентной борьбе.

Главная задача создания и внедрения CALS-технологий - обеспечение единообразных описания и интерпретации данных независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документации, языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и в пространстве и применяющих разные системы CAE/CAD/CAM (см. разд. 2). Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация - адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.

CALS-технологии не отвергают существующие автоматизированные системы проектирования и управления, а являются средством их эффективного взаимодействия. Поэтому интеграция автоматизированных систем на современных предприятиях должна быть основана на CALS-технологиях. Внедрение их требует освоения имеющихся технологий и CALS-стандартов, развития моделей, методов и программ автоматизированного проектирования и управления. Важные проблемы, требующие решения при создании CALS-систем, - управление сложностью проектов и интеграция программного обеспечения, включая вопросы декомпозиции проектов, распараллеливания проектных работ, целостности данных, межпрограммных интерфейсов и др.

Проблематика CALS имеет ряд аспектов. По аналогии с аспектами автоматизированного проектирования целесообразно эти аспекты называть видами обеспечения CALS и выделять лингвистическое, информационное, программное, математическое, методическое, техническое и организационное обеспечения CALS.

К лингвистическому обеспечению относятся языки и форматы данных о промышленных изделиях и процессах, используемые для представления и обмена информацией на этапах жизненного цикла изделий.

Информационное обеспечение составляют базы данных, в которых имеются сведения о промышленных изделиях, используемые разными системами в процессе проектирования, производства, эксплуатации и утилизации продукции. В состав информационного обеспечения входят также серии международных и национальных CALS-ставдартов и спецификаций.

Программное обеспечение CALS представлено программными комплексами, предназначенными для поддержки единого информационного пространства этапов жизненного цикла изделий. Это прежде всего системы управления документами и документооборотом, управления проектными данными (PDM), взаимодействия предприятий в совместном электронном бизнесе (СРС), подготовки интерактивных электронных технических руководств и некоторые другие.

Математическое обеспечение CALS включает методы и алгоритмы создания и использования моделей взаимодействия различных систем в CALS-технологиях. Среди этих методов в первую очередь следует назвать методы имитационного моделирования сложных систем, методы планирования процессов и распределения ресурсов.

Методическое обеспечение CALS представлено методиками выполнения таких процессов, как параллельное (совмещенное) проектирование и производство, структурирование сложных объектов, их функциональное и информационное моделирование, объектно-ориентированное проектирование, создание онтологии приложений.

К техническому обеспечению CALS относят аппаратные средства получения, хранения, обработки и визуализации данных при информационном сопровождении изделий. Взаимодействие частей виртуальных предприятий, систем, поддерживающих разные этапы жизненного цикла изделий, происходит через линии передачи данных и сетевое коммутирующее оборудование. Однако используемые технические средства не являются специфическими для CALS, и потому далее в этой книге вопросы технического обеспечения не рассматриваются.

Наконец, организационное обеспечение CALS представлено различного рода документами, совокупностью соглашений и инструкций, регламентирующих роли и обязанности участников жизненного цикла промышленных изделий.

2. ЭТАПЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Основные этапы жизненного цикла промышленных изделий представлены на рис. 1.1. Там же указаны основные типы автоматизированных систем, используемых в жизненном цикле изделий.

Системы, указанные на рис. 1.1, поддерживают следующие этапы и процедуры в жизненном цикле изделий:

• САЕ - Computer Aided Engineering (автоматизированные расчеты и анализ);

• CAD - Computer Aided Design (автоматизированное проектирование);

• САМ - Computer Aided Manufacturing (автоматизированная технологическая подготовка производства);

• PDM - Product Data Management (управление проектными данными);

• ERP - Enterprise Resource Planning (планирование и управление

предприятием);

• MRP-2 - Manufacturing (Material) Requirement Planning (планирование производства);

• MES - Manufacturing Execution System (производственная исполнительная система);

• SCM - Supply Chain Management (управление цепочками поставок);

• CRM - Customer Relationship Management (управление взаимоотношениями с заказчиками);

• SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчерское управление производственными процессами);

• CNC - Computer Numerical Control (компьютерное числовое управление);

• S&SM - Sales and Service Management (управление продажами и обслуживанием);

• СРС - Collaborative Product Commerce (совместный электронный бизнес).

Далее в этом разделе приведена краткая характеристика названных этапов и соответствующих систем автоматизации. Более обстоятельному рассмотрению основных автоматизированных систем посвящены разд. 1.3 - 1.7.

Современные САПР (или системы CAE/CAD), обеспечивающие сквозное проектирование сложных изделий или, по крайней мере, выполняющие большинство проектных процедур, имеют многомодульную структуру. Модули различаются своей ориентацией на те или иные проектные задачи применительно к тем или иным типам устройств и конструкций. При этом возникают естественные проблемы, связанные с построением общих баз данных, с выбором протоколов, форматов данных и интерфейсов разнородных подсистем, с организацией совместного использования модулей при групповой работе.

Эти проблемы усугубляются на предприятиях, производящих сложные изделия, в частности с механическими и радиоэлектронными подсистемами, поскольку САПР машиностроения и радиоэлектроники до недавнего времени развивались самостоятельно, в отрыве друг от друга.

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения разрабатываются системы управления проектными данными - системы PDM. Они либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР.

Уже на этапе проектирования требуются услуги системы SCM, иногда называемой системой управления поставками комплектующих (Component Supplier Management), которая на этапе производства обеспечивает поставки необходимых материалов и комплектующих.

АСТПП, составляющие основу системы САМ, выполняют синтез технологических процессов и программ для оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), выбор технологического оборудования, инструмента, оснастки, расчет норм времени и т.п. Модули системы САМ обычно входят в состав развитых САПР, и потому интегрированные САПР часто называют системами CAE/CAD/CAM/PDM.

Функции управления на промышленных предприятиях выполняются автоматизированными системами на нескольких иерархических уровнях.

Автоматизацию управления на верхних уровнях от корпорации (производственных объединений предприятий) до цеха осуществляют АСУП, классифицируемые как системы ERP или MRP-2.

Наиболее развитые системы ERP выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п. Системы MRP-2 ориентированы главным образом на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством.

АСУТП контролируют и используют данные, характеризующие состояние технологического оборудования и протекание технологических процессов. Именно их чаще всего называют системами промышленной автоматизации.

Для выполнения диспетчерских функций (сбора и обработки данных о состоянии оборудования и технологических процессов) и разработки программного обеспечения для встроенного оборудования в состав АСУТП вводят систему SCADA. Для непосредственного программного управления технологическим оборудованием используют системы CNC на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), встроенных в технологическое оборудование.

На этапе реализации продукции выполняются функции управления отношениями с заказчиками и покупателями, проводится анализ рыночной ситуации, определяются перспективы спроса на планируемые к выпуску изделия. Эти задачи решаются с помощью системы CRM. Маркетинговые функции иногда возлагаются на систему S&SM, которая, кроме того, служит для решения проблем обслуживания.

На этапе эксплуатации применяются специализированные компьютерные системы, занятые вопросами ремонта, контроля, диагностики эксплуатируемых систем. Обслуживающий персонал использует интерактивные учебные пособия и технические руководства, а также средства для дистанционного консультирования при поиске неисправностей, программы для автоматизированного заказа деталей взамен отказавших.

Следует отметить, что функции некоторых автоматизированных систем часто перекрываются. В частности, это относится к системам ERP и MRP-2. Управление маркетингом может быть поручено как системе ERP, так и системе CRM или S&SM.

На решение оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом ориентированы системы MES. Они близки по некоторым выполняемым функциям к системам ERP, PDM, SCM, S&SM и отличаются от них именно оперативностью, принятием решений в реальном времени, причем важное значение придается оптимизации этих решений с учетом текущей информации о состоянии оборудования и процессов.

Перечисленные автоматизированные системы могут работать автономно, и в настоящее время так обычно и происходит. Однако эффективность, автоматизации будет заметно выше, если данные, генерируемые в одной из систем, будут доступны в других системах, поскольку принимаемые в них решения станут более обоснованными.

Чтобы достичь должного уровня взаимодействия промышленных автоматизированных систем, требуется создание единого информационного пространства не только на отдельных предприятиях, но и, что более важно, в рамках объединения предприятий. Единое информационное пространство обеспечивается благодаря унификации как формы, так и содержания информации о конкретных изделиях на различных этапах их жизненного цикла.

Унификация формы достигается использованием стандартных форматов и языков представления информации в межпрограммных обменах и при документировании.

Унификация содержания, понимаемая как однозначная правильная интерпретация данных о конкретном изделии на всех этапах его жизненного цикла, обеспечивается разработкой онтологии (метаописаний) приложений, закрепляемых в прикладных CALS-протоколах.

Унификация перечней и наименований сущностей, атрибутов и отношений в определенных предметных областях является основой для единого электронного описания изделия в CALS-пространстве.

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Одним из наиболее важных этапов проектирования машиностроительных изделий является этап конструирования. Значимость его не только в том, что на этом этапе формируется концептуальный облик будущего изделия, но и в том, что именно на этапе конструирования создаются математически точные геометрические модели как отдельных деталей, так и всего изделия, которые будут играть определяющую роль на всех последующих этапах жизненного цикла изделия.

В настоящее время все существующее программное обеспечение автоматизированного конструирования принято классифицировать по функциональной полноте. Поэтому признаку оно условно делится на три уровня.

К нижнему уровню относятся программы, реализующие 2D модели в виде чертежей и эскизов, например: пакеты российских разработчиков БАЗИС-Конструктор 4.5 (Базис), Графика-81 (Институт проблем управления), SprutCAD (СПРУТ-Технологии), чертежно-графический редактор АРМ Graph (НИЦ АПМ), CADMECH и CADMECH LT на базе AutoCAD и AutoCAD LT2000 (Интермех), T-Flex CAD LT (Ton Системы), КОМПАС-ГРАФИК (Аскон), АДЕМ (Omega Technologies) и др.

На среднем уровне располагаются программные комплексы, которые позволяют создавать трехмерную геометрическую модель сравнительно несложного изделия в основном методом твердотельного моделирования. К числу этих программных комплексов можно отнести: AutoCAD 2000 и AMD (AutoDesk), Solid Works (Solid Works), Solid Edge (Unigraphics Solutions), PowerSHAPE (Delcam pie), Prelude Design (Matra Datavision), MicroStation (Bentley Systems), ГеММа-SD (ГеММа), T-Flex CAD 3D (Ton Системы), bCAD (ПроПро Группа), CREDO (НИЦ АСК), OceanCAD и др.

Наиболее мощные программные системы сквозного проектирования и производства расположены на верхнем уровне. Среди них можно выделить: САTIА5 (Dassault Systemes, Франция), EUCLID3 (EADS Matra Datavision, Франция) [1], UNIGRAPHICS (Unigraphics Solutions, США) [2], Pro/ENGINEER и CADDS5 (РТС, США).

С точки зрения CALS-технологий программное обеспечение автоматизированного конструирования должно удовлетворять не только требованию функциональной полноты. При выборе и установке той или иной конфигурации программного обеспечения важно учитывать специфику моделей и задач, решаемых на каждом рабочем месте. В этом случае вместо одного пакета со множеством универсальных функций должны устанавливаться строго специализированные пакеты программ, разработанные в соответствии с этими задачами.

В основе автоматизированного конструирования машиностроительных изделий лежит объемное моделирование. В этом случае на помощь конструктору при моделировании приходит как его собственный опыт, так и результаты работы других специалистов, воплощенные в рисунках, эскизах, чертежах, реально выполненных образцах изделий в материале, данные сканирования этих образцов и компьютерные геометрические модели ранее разработанных изделий.

Для создания объемной модели изделия конструктор может воспользоваться методом трехмерного твердотельного моделирования, методом поверхностного моделирования или сочетанием этих методов в адаптивных формах (см. рис. 1, а на вклейке).

Рассмотрим более подробно основные методы формообразования машиностроительных изделий и наиболее важные аспекты компьютерного моделирования, которые, по мнению авторов, должны составлять основу подготовки инженера [З].

3.1. Твердотельное моделирование

Под твердым телом понимается заполненная «материалом» замкнутая область пространства. Твердое тело характеризуется многогранным представлением и историей своего создания. Многогранное представление тела отображается в виде прозрачного или непрозрачного объема, границы которого состоят из совокупности линий ребер и поверхностей граней.

Геометрические модели твердых тел всегда математически точные. Отображение этих моделей на экране монитора осуществляется с заданной точностью и зависит от размера рабочей области, выбранного конструктором в начале сеанса работы. На рис. 1.2 приведен пример отображения на экране монитора тела с различной степенью полигонизации.

Все твердые тела делятся на базовые и составные. Базовые тела, или твердотельные примитивы, - это параллелепипед, цилиндр, шар, конус и др. Они строятся с указанием формообразующих линий и контуров или с помощью задания значений параметров. Составные тела формируются в результате топологических операций (булевы функции сложения, вычитания, пересечения) над базовыми телами. В данном случае базовые тела называют конструктивными элементами сложного тела.

Рис. 1.2. Отображение на экране монитора цилиндра с различными коэффициентами точности многогранного представления:

грубая (а), средняя (б) и высокая (в) полигонизация

Рис. 1.3. Кинематическое тело Рис. 1.4. Тело вращения

Кроме функций построения базовых тел в пакетах твердотельного моделирования реализованы различные функции создания тел сложной внешней формы. Это так называемые кинематические тела (рис. 1.3) и тела вращения (рис. 1.4). В качестве формообразующих линий в таких телах сложной формы могут использоваться кривые, двумерные примитивы, сложные замкнутые или незамкнутые контуры.

Есть возможность построить незамкнутую поверхность Безье и использовать ее в топологических операциях с телами. Чтобы не обременять конструктора сложным инструментом поверхностного моделирования, в математическом аппарате пакетов твердотельного моделирования реализованы некоторые упрощенные функции построения поверхностей по образующим линиям. Эти поверхности преобразуются в тела ограниченного объема и могут использоваться в топологических операциях с телами. Например, из любого твердого тела можно вычесть объем, ограниченный поверхностью (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Результат вычитания из куба объема в виде части пространства, ограниченного поверхностью

Рис. 1.6. Построение сложного контура с использованием пересекающихся окружностей и линий

Осуществляется эта операция после преобразования поверхности в тело: часть полупространства, ограниченная поверхностью, указывается как объем, принадлежащий поверхности и участвующий в вычитании.

Однако, говоря о проектировании деталей или узлов машиностроительных изделий, мы имеем в виду традиционное классическое конструирование. Большинство машиностроительных деталей строится с использованием сложных формообразующих контуров. Конструктору предлагается обширный инструментарий создания и редактирования двумерных примитивов (прямых, дуг, окружностей, многоугольников и т.д.) и сложных контуров. Выбор метода построения, а значит, и конкретных функций построения контуров и тел в дальнейшем будет определять как способ внесения изменений в геометрическую модель изделия, так и проектирование технологии ее обработки, например, в процессе фрезерования.

Рассмотрим некоторые способы получения сложного контура.

• Получение сложного контура по вспомогательным пересекающимся (рис. 1.6) или непересекающимся (рис. 1.7) линиям. В первом случае указываются части сегментов и точки их пересечения, во втором - все элементы в указанном порядке замыкаются в цепочку, недостающие сегменты контура достраиваются автоматически.

• Построение сложного контура одной полилинией за одну операцию, используя для задания вершин алфавитно-цифровой

Рис. 1.7. Построение сложного контура с использованием непересекающихся дуг и отрезка

Рис. 1.8. Получение сложного контура в результате топологических операций пересечения прямоугольника и двух окружностей

ввод, ссылочные точки или «привязки» к уже созданным линейным или трехмерным объектам.

• формирование контура в результате топологических операций над замкнутыми контурами (рис. 1.8).

• Получение сложного контура в результате применения к линейным элементам матрицы преобразований (сдвиг, поворот, копирование массивом и т.д.) (рис. 1.9).

Редактирование сложных контуров включает в себя следующие

функции.

1. Добавление, удаление и изменение положения вершин контура.

2. Геометрическое перестроение сегментов контура: отсечение и дотягивание до указанных границ, удаление указанной части сегмента, рассечение в указанных точках и т. д.

3. Геометрическое перестроение контура в целом: добавление или удаление отверстий, растягивание или сжатие в заданном направлении или масштабе, создание округлений и фасок и т. д.

Вернемся к трехмерным объектам. Рассмотрим два правила модификации составного тела:

• если при построении сложного тела использовались тела, редактировать необходимо либо значения параметров конструктивных элементов, либо топологические операции;

• если при построении сложного тела использовались образующий линии, редактировать необходимо геометрию этих линий.

Рис. 1.9. Получение незамкнутого контура как линейного массива шести копий исходного контура

Учитывая сказанное выше, отметим, что принципиальным становится этап концептуальной разработки изделия. На этом этапе должна быть выполнена предварительная разработка некоей идеологии проектируемого изделия. Классификации изделий с рекомендациями к используемым способам построения нет ни в одном пакете проектирования. К настоящему времени еще не создана программная среда, заранее определяющая методологию проектирования в зависимости от типа изделий. Сделать более или менее оптимальный выбор способа построения можно с учетом следующих критериев: компактность модели, время и трудоемкость ее построения, технологичность. Иногда геометрия модели или отсутствие в ее истории конструктивных элементов не позволяет технологу правильно «обработать» деталь, тогда конструктору приходится перестраивать модель. Субъективный подход к использованию тех или иных функций построения лежит в основе методологии проектирования. Однако тот или иной способ построения имеет принципиальные особенности. Рассмотрим некоторые из них на примере модели детали (рис. 1.10).

Построение тела вращения. Формообразующий контур состоит из незамкнутой цепочки линейных сегментов и дуги (рис. 1.11).

При построении тела вращения использовались контур и параметры - угол поворота и ось вращения.

Построение сложного тела с помощью двух элементов. Такое построение выполняется в три этапа с помощью топологической операции вычитания над двумя конструктивными элементами (рис. 1.12).

1. Первый элемент конструкции - цилиндр с объемной фаской.

2. Второй элемент - тело протягивания сечения постоянного радиуса вдоль окружности (тор).

Рис. 1.11. Формообразующий контур и тело вращения

Рис. 1.12. Элементы (цилиндр и тор) и результат топологической операции вычитания

3. Результирующее тело получается после выполнения над двумя этими элементами топологической операции вычитания.

При построении тела использовались параметры цилиндра, длина фаски, радиус тора и траектория протягивания.

Построение сложного тела с помощью трех элементов. Такое построение выполняется в три этапа с помощью топологической операции сложения над тремя конструктивными элементами (рис. 1.13).

1. Первый элемент - тело вращения. Для него необходимо вначале построить сложный контур.

2. Два других элемента - твердотельные примитивы - цилиндр и конус. Каждый из них строится без предварительных построений формообразующих контуров.

3. Результирующее тело получается после выполнения топологической операции сложения над тремя этими элементами.

При построении тела использовались контур тела вращения, параметры вращения, параметры цилиндра и конуса.

Можно оспаривать использование последнего способа построения в силу его грубоватой прямолинейности. Мы обратились к нему только для того, чтобы показать неудобство последующей модификации этого тела. Оправдывает нас то, что и такой «образ мышления» может быть реализован методами твердотельного моделирования. Системе «все равно», какой математический аппарат был использован при построении. Но, насколько оправдана такая идеология построения, мы убедимся позже, когда начнем модифицировать этот объект. На практике конструктор убеждается в некорректной методологии проектирования только в процессе работы с моделью.

Рис. 1.13. Элементы (тело вращения, цилиндр и конус) и результат топологической операции сложения

Все рассмотренные способы построения можно было бы считать равноценными, учитывая, что внешний вид (многогранное представление) результирующего тела всегда одинаковый. Однако отличия все-таки есть. Так, размер объекта в структуре данных (см. подраздел «Структура и база данных» ниже) в первом случае минимальный, поскольку содержит описание полигона формообразующей, в двух других случаях значительно больше, ибо содержит характеристики всех твердотельных конструктивных элементов и топологических операций.

История создания твердого тела. Одной из важных характеристик твердого тела является история его создания. Содержательная часть истории создания включает описание всех элементов, используемых для построения тела, параметры и последовательность выполненных операций. История создания имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне размещаются геометрические примитивы (плоские или объемные), параметры примитивов. На всех последующих уровнях могут размещаться сборки тел, полученные в результате преобразований над объектами нижнего уровня, а также промежуточные результаты топологических операций над отдельными конструктивными элементами. На верхнем уровне истории создания всегда находится результирующее тело (например, деталь) или сборка результирующих тел (например, узел или агрегат).

История создания твердого тела содержит граничное представление всех конструктивных элементов, параметры и названия всех использованных объектов. Выделение самостоятельных геометрических моделей конструктивных элементов производится копированием прямо из истории создания. Это дает возможность быстрого доступа в любых моделях сложных тел, к любым промежуточным результатам и использования их при построении новых тел, а также позволяет организовать коллективный доступ к результатам работы многих конструкторов в едином проекте, не создавая дополнительных (резервных) копий всех конструктивных элементов. Кроме самой геометрии в истории создания хранится описание каждой операции в хронологическом порядке их выполнения, которые можно редактировать прямо в дереве истории создания.

Пример схемы истории создания твердого тела приведен на рис. 1.14.

На нижнем уровне - формообразующий контур тела вращения, из которого будут вычитаться «инструменты», а также два цилиндра, образующие впоследствии отверстия разного диаметра, и нужного размера параллелепипед, образующий на задней стенке детали полочку.

Рис. 1.14. Схема истории создания модели оси гироскопа

На среднем уровне - тело вращения («заготовка» для вычитания) и две сборки цилиндров; первая сборка - массив из четырех копий цилиндров большего диаметра, расставленных вокруг оси вращения через 90°, вторая сборка - массив из шести цилиндров меньшего диаметра (поворот на 60°) (все «инструменты» должны располагаться относительно «заготовки» в нужном месте).

На верхнем уровне - результат топологической операции вычитания.

Модификация твердого тела. Модификация - это процедура преобразования исходной модели в новую модель изделия. Модификация модели зависит от способа ее построения и базируется на истории создания твердого тела. Редактирование модели сложного тела выполняется на любом этапе истории его создания. Так, на самом нижнем уровне можно редактировать параметры контуров, перестраивать их геометрию, а также изменять значения параметров твердотельных примитивов. На любом другом уровне конструктор может выполнять модификацию сложного тела путем манипуляций конструктивными элементами.

Рассмотрим подробнее три возможных способа модификации тела, построенного ранее. Различные истории создания тела диктуют тот или иной способ его модификации. Если история создания состоит из двух уровней, бывает проще построить новый формообразующий контур и создать новое тело вращения, чем редактировать существующий в истории контур. В этом случае решающим фактором являются умение конструктора использовать тот или иной метод редактирования. Наличие в истории создания разнообразных твердотельных конструктивных элементов может позволить перестроить их в результирующем теле быстрее, чем создать новую образующую сложной формы.

Модель детали, которую необходимо получить в результате модификации исходной модели, показанной на рис. 1.10, изображена на рис. 1.15.

Модификация тела вращения. Эта модификация включает процедуры редактирования формообразующего контура тела. Можно перестраивать цепочку элементов, добавляя и удаляя новые вершины или сегменты линии, чтобы получить нужный формообразующий контур (рис. 1.16). Может оказаться, что проще было бы построить контур заново и создать по нему новое тело вращения.

Модификация сложного тела, построенного с помощью двух элементов. Эта модификация заключается в редактировании конструктивных элементов (см. рис. 1.12).

1. Удаление на цилиндре объемной фаски и создание объемного округления нужного радиуса.

2. Перемещение тора в нужное место.

3. Построение контура и нового тела вращения, затем замена им тора в результирующем теле.

Рис. 1.16. Модифицированный контур и тело вращения

Рис. 1.17. Модифицированные элементы и результат вычитания

4. Пересчет результатов существующей топологической операции вычитания с новыми элементами (рис. 1.17).

Модификация сложного тела, построенного с помощью трех элементов. Поскольку при построении конструктивных элементов были использованы только тела вращения (см. рис. 1.13), редактирование сложного тела выполняется намного проще. Необходимо конструктивно перестроить образующие первого элемента и конуса, а у цилиндра изменить параметр длины.

1. В образующей первого элемента нужно преобразовать дугу в правильный четырехугольный сегмент (полигон).

2. Изменить длину цилиндра.

3. Образующую конуса сначала преобразовать в образующую цилиндра, а затем скруглить вершину.

4. Первый элемент переместить из его первоначального положения в новое положение.

5. Пересчитать результаты существующей топологической операции сложения с новыми элементами (рис. 1.18).

На трех примерах возможных способов модификации конкретного тела были рассмотрены некоторые функции редактирования модели.

Модификация сложных тел включает в себя следующие способы.

1. Изменение формы тел путем ввода новых значений параметров (в примитивах), а также методом графического редактирования формообразующих контуров.

2. Редактирование назначенных параметров, обеспечивающих изменение формы детали в соответствии с установленными зависимостями (параметризация).

Рис. 1.18. Модифицированные элементы и результат сложения

3. Изменение положения в составном теле его твердотельных конструктивных элементов - изменение расстояний между элементами и базовыми точками, между осями элементов, изменение наклона элемента, изменение углового расстояния между массивом элементов, повтор или отмена последнего перемещения.

4. Удаление элемента из составного тела, добавление элемента, замена новым элементом существующего элемента составного тела.

5. Преобразования в дереве истории создания (обмен элементами в дереве истории, выделение их из дерева истории, дублирование элементов) и получение новых версий модели.

На рис. 1.19 приведен пример модификации сборки двух деталей, которая выполняется в результате манипуляций с ветвями дерева истории создания, а именно изменения последовательности элементов в топологических операциях. Сборка SB_1 состоит из двух деталей - CUT_1, CUT_2. Деталь CUT_1 получена в результате вычитания из параллелепипеда В1 цилиндрического отверстия Тоо1_1, а деталь CUT_2 - в результате вычитания из параллелепипеда В2 отверстия квадратной формы ToolJ2. Если поменять местами в дереве истории элементы Тоо1_1 и ToolJ2, то сборка автоматически перестроится.

Рис. 1.19. Результаты модификации тела с использованием дерева его истории
Твердотельное моделирование наиболее часто используется в следующих случаях:

• при проектировании типовых деталей и узлов машиностроительных изделий, например, унифицированных элементов пресс-форм (рис. 1, б на вклейке);

• для выполнения модификации модели с использованием истории ее создания;

• для оценки свойств проектируемых деталей (площадь поверхности, масса, центр тяжести и т.п.);

• для контроля взаимного расположения деталей и работы механизма;

• для автоматизации подготовки конструкторской документации;

• для последующей обработки на 2,5-координатных станках с ЧПУ.

3.2. Параметризация

В твердотельном моделировании реализованы два режима создания объектов -режим адаптивной (свободной) параметризации и режим принудительной параметризации. В режиме адаптивной параметризации конструктор создает модель изделия без первоначальных позиционных ограничений на ее конструктивные элементы. Адаптивная параметризация позволяет быстро и оперативно вносить изменения в модель, активизируя необходимые параметры элементов конструкции. Конструктору предоставляется возможность в результате оперативного редактирования просмотреть различные варианты и вернуться к первоначальному варианту, при этом нет необходимости беспокоиться о потере последовательности данных построения. На любом этапе модель может быть модифицирована, проанализирована и выбран окончательный вариант.

Принудительная параметризация предполагает описание арифметическими выражениями или отношениями совокупности связанных друг с другом геометрических элементов конструкции. Любой параметр геометрического элемента можно представить его значением, или переменной, или выражением. Например, рассмотрим параметризацию формообразующих контуров шатуна (рис. 1.20). Предположим, что его геометрические параметры заданы в виде следующих математических выражений: D1 = D2 = 80, R1 = 25, R1 + 10 = 35, R2 = 15, R2 + 10 = 25, D1 - R1 - 15 = 40, D2-R2-15=50.

Используя эти параметрические контуры, можно построить тело шатуна как результат вычитания цилиндрических отверстий (основания - параметрические окружности) из внешнего объема, полученного пересечением двух призм (основания - параметрические контуры) (рис. 1.21).

Рис. 1.20. Исходное параметризованное описание модели шатуна

Рис. 1.21. Создание параметризованной объемной модели шатуна

При изменении одного параметра все связанные с ним элементы автоматически изменяются. Если исходный параметризованный контур используется для построения объемной модели, то модификация параметров контура приведет к автоматическому обновлению этой модели. Если параметризованные контуры и модель детали были сохранены в базе данных, модификация любого из них повлечет за собой соответствующее автоматическое редактирование другого, так как они связаны взаимными ссылками. Поэтому любое изменение параметров конструктивных элементов тела шатуна приведет к редактированию математических выражений в параметрических контурах и далее к формированию новой версии детали. В свою очередь, вслед за изменением параметров в исходных параметрических контурах произойдет автоматическое изменение формы детали. Модель шатуна, которую необходимо получить после модификации, показана на рис. 1.22.

Модификация параметризованных контуров заключается в изменении значений параметров D1 =40,R1 = 10,К2=30(рис. 1.23).

Рис. 1.23. Редактирование геометрических параметров контуров

3.3. Поверхностное моделирование

Поверхностное моделирование с различной степенью полноты реализовано только в программных системах верхнего уровня: CATIA5 (Dassault Systemes, Франция), EUCLID3 (EADS Matra Datavision, Франция), UNIGRAPHICS (Unigraphics Soludons, США), Pro/ENGINEER и CADDS5 (PTC, США). Оно предназначено для создания объектов сложной формы, таких, как поверхности деталей внешнего вида (самолеты, автомобили, бытовая техника), для проектирования изделий, изготовляемых штамповкой, и оформляющих элементов прессформ и штампов, для проектирования изделий, изготовляемых литьем, и их литьевых форм.

Поверхностное моделирование изделий позволяет:

• достоверно представить изделия сколь угодно сложной формы;

• точно рассчитать инерционно-массовые характеристики проектируемых изделий;

• проконтролировать взаимное расположение деталей, их собираемость;

• готовить управляющие программы для станков с ЧПУ.

Изготовление таких деталей может выполняться, как правило, на оборудовании с 3- и 5-координатным управлением.

Деталь, построенная методами поверхностного моделирования, представляется пустотелой оболочкой - «поверхностью» (surface), состоящей из большого числа элементарных участков — «патчей» (patch - лоскут, патч). Два понятия - топологическая поверхность и патч - являются основными понятиями поверхностного моделирования.

Поверхность является одним из типов геометрических моделей наряду с телами и адаптивными формами (см. ниже).

По определению, поверхность представляет собой границу двух полупространств, на которые она делит рабочее пространство. Математически поверхность - это множество точек, координаты которых удовлетворяют системе уравнений

Х = х (U,V), Y = у (U,V), Z = z (U,V),

где U,V - параметры (см. с. 35).

Замкнутые и незамкнутые поверхности могут участвовать в топологических операциях.

Геометрические модели поверхностей являются аналитическими и в отличие от тел имеют единственное представление в структуре данных. Поверхности не имеют истории создания. Точность отображения поверхностей на экране монитора регулируется коэффициентом полигонизации.

В программах обычно представлены два типа участков поверхностей - базовые (или точные) и свободные. Различия определяются способом их формообразования. Необходимо подчеркнуть, что деление участков поверхности на точные и свободные не означает, что свободные поверхности не могут быть точно изготовлены.

Базовые поверхности строятся на основе генераторов (линейчатые участки, поверхность вращения, параллелепипед, цилиндр, сфера, призма, конус, тор). При свободном формообразовании поверхности (поверхности Безье, B-spline и др.) качество результата чаще оценивается дизайнером визуально. Точные участки используются для создания конструктивных элементов на сложных деталях и конструктивных элементов деталей, аналогичных построенным методом твердотельного моделирования. Свободные участки используются как для формирования видовых деталей (дизайна изделия), так и для построения сложных сопряжении на деталях, где обычные подходы не позволяют получать удовлетворительные результаты.

Над поверхностями могут выполняться сопряжения и топологические операции (сложение, вычитание, выделение части). При выполнении топологических операций над поверхностями результат может отличаться от результата аналогичных операций над телами. Поверхности можно преобразовать в тела или в адаптивные элементы.

Поверхности могут быть проанализированы на топологию (контроль дефектов), при этом могут быть точно рассчитаны их геометрические и инерционно-массовые характеристики (объем, масса, моменты инерции, площадь поверхности и др.).

Построение изделий методами поверхностного моделирования имеет определенные преимущества:

• многоэлементные поверхности могут обрабатываться как единые геометрические элементы (топологические поверхности);

• пересечения и топологические операции выполняются над поверхностью как над единым объектом;

• поверхности автоматически обрезаются при сопряжении или объединении;

• одну поверхность можно объединять с другими многоэлементными поверхностями;

• по заданной поверхности может быть построена сетка конечных элементов.

следующая страница >>