Системы геометрического моделирования

 

Подсистемы геометрического моделирования занимают центральное место в машиностроительных САПР. Конструирование изделий в них, как правило, проводится в интерактивном режиме при оперировании геометрическими моделями, т.е. математическими объектами, отображающими форму деталей, состав сборочных узлов.

Различают следующие виды геометрических моделей: каркасные (проволочные), поверхностные, твердотельные [19, 27].

Каркасная модель представляет форму детали в виде конечного множества линий, лежащих на поверхностях детали. Для каждой линии известны координаты концевых точек и указана их принадлежность ребрам или поверхностям. Оперировать каркасной моделью на дальнейших операциях маршрутов проектирования неудобно, и поэтому каркасные модели в настоящее время используют редко.

Поверхностная модель отображает форму детали с помощью задания ограничивающих ее поверхностей, например, в виде совокупности данных о гранях, ребрах и вершинах.

Твердотельные модели отличаются тем, что в них в явной форме содержатся сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему по отношению к детали пространству.

Функции систем твердотельного моделирования можно разделить на следующие группы [19]:

- функции создания базовых примитивов и булевские операции;

- функции заметания (2.5D-моделирование);

- функции сопряжения и поднятия;

- функции моделирования границ;

- объектно-ориентированное моделирование.

Функции создания базовых примитивов и булевские операции. Такой метод называют еще твердотельным моделированием (constructive solid geometry). Используются сложные объекты, составленные из простых объемных примитивов. Обычно к таким примитивам принадлежат параллелепипед, сфера, конус, эллипсоид, цилиндр, тор, клин. Размеры примитивов задаются пользователем в интерактивном режиме. Булевы операции над примитивами позволяют достигать объединения, вычитания и выделения общей части примитивов.

Функции заметания (2.5D-моделирование). Эти функции предназначены для построения тел и поверхностей путем движения образа (прово­лочной модели) в пространстве. Модели делятся на три вида в зависимости от построения (рис.2.1):

- выдавливанием образа в пространстве или отдельными сече­ниями;

- вращением образа вокруг оси;

- движением образа вдоль траектории.

Примерами объектов первого класса являются, например, призма, полученная двумя сдвигами образа. Ко второму классу принадлежат цилиндры, валы, коль­ца. Объектом третьего класса может быть изогнутая труба.

 

 

а б в

 

Рис. 2.1. 2.5D-модели: а) выдавливание образа в пространстве;

б) моделирование с помощью вращения;

в) движение образа вдоль траектории

 

Функции сопряжения и поднятия. Функциисопряжения используются для замены ребра или вершины гладкой криволинейной поверхностью. Поднятием называется перемещение всей грани объемного тела или ее части в заданном направлении с одновременным удлинением тела в этом направлении.

Функции моделирования границ используются для добавления, удаления и изменения вершин, ребер и граней объемного тела. Однако создавать тело на основе рассматриваемого подхода очень трудоемко. Поэтому эти функции используются для изменения формы тела или для создания двухмерных сечений.

Объектно-ориентированное моделирование (ООМ). ООМ представляет пользователю макрофункции, ранее определенные как последовательность действий, исполняющих булевы операции. Например, сквозное отверстие выполняется с использованием операции «вычитание». Под сквозным отверстием в ООМ понимается правило, которое определяет сквозной проход в заданном месте через тело модели. Подобные макрофункции получили название «фичерса».

Фичерсы – привычные пользователю конструкционно-технические элементы (отверстия, фаски, скругления и т.д.). Фичерсы являются параметризованными объектами, привязанными к геометрии. При модификации модели привязка сохраняется, с соответствующей корректировкой фичерсов. Конструкционные элементы могут принимать любые очертания, приобретая будущую геометрию. Фичерсы содержат также информацию о том, как они соотносятся друг с другом. При изменении фичерсов могут изменяться геометрия и топология модели в целом. Это означает, что можно автоматически создавать любой объект и элемент (фаски, скругления), просто указывая их местоположение. После этого оно остается привязанным к грани при любом ее перемещении.

Следует отметить, что параметрические модели в отличие от жестко-размерных, не стандартизированы. Нынешние трансляторы IGES и STEP не работают с описаниями ограниченных условий и историй. Эта информация теряется при переносе из одной системы в другую, и поскольку параметризация модели основана на истории построения, последующее редактирование создаваемых объектов становится затруднительным.

Программы, реализующие ООМ: Pro/Engineer, CADDS5, T-Flex.

Визуализация. В современных CAD-системах существуют также возможности для получения качественных фотореалистичных изображений и анимации, использования спецэффектов и т.д. В системе должна иметься возможность задавать и полностью настраивать неограниченное количество источников света. Кроме того, обычно имеются функции представления модели в режиме затенения, включая прозрачность поверхности, текстуры и другие свойства материалов [23, 24].

Контрольные вопросы

1. Какие подходы существуют к разработке чертежа в CAD-системах?

2. Охарактеризуйте понятия «параметризация» и «ассоциативность».

3. Перечислите основные функции систем твердотельного моделирования. Охарактеризуйте их.

4. Что такое объектно-ориентированное моделирование?

CAPP-системы

3.1. Функции CAPP-систем

CAPP-системы (computer-aided process planning) – автоматизированные системы планирования процессов производства. Задача CAPP-системы – составить план производства изделия, называемый маршрутной картой. Данный план содержит указания о последовательности технологических и сборочных операций, используемых для станков и инструментов. Технологическая подготовка производства всегда осуществляется по имеющейся базе данных типовых техпроцессов, применяемых на конкретном предприятии [14, 16, 19, 22, 27, 37].

Технологическая подготовка производства (process planning) – выбо­р технологических процессов и их параметров, а также оборудования для прове­дения этих процессов. На выходе этапа технологической подготовки получается план, описывающий последовательность технологических процессов или сборочных операций. Помимо выбора и упорядочения опера­ций важную часть плана составляет выбор инструментов и крепежа. Выбор ин­струмента включает также выбор станка, на котором этот инструмент будет установлен. Крепежные устройства направляют инструмент или держат обраба­тываемую деталь.

План производства детали или агрегата зависит от множества факторов. К ним относятся геометрия детали, требуемая точность и качество поверхности, коли­чество деталей и используемый материал. Выбор операций также во многом определяется имеющимися средствами.

Существуют несколько подходов к планированию процессов производства [19]:

- неавтоматизированный подход;

- модифицированный подход;

- генеративный подход.

Неавтоматизированный подход. Является традиционным подходом, при котором планирование производства выполняется вручную. Инженер-технолог изучает чертеж де­тали и подготавливает инструкции по ее изготовлению, то есть план производст­ва. Вне зависимости от сложности плана подготовка очень сильно зависит от знаний технолога, имеющихся инструментов, материалов, стан­дартных приемов и характерных масштабов стоимости. При составлении техпроцесса используются справочники и уже существующие типовые планы.

Модифицированный подход. Модифицированный подходявляется усовершенствованием неавтоматизированного подхода. В этом случае технолог использует типичные технологические планы производства, хранимые в базе данных компьютерной системы. Выбранный план производства может редактироваться в интерактивном режи­ме. Детали классифицируются по се­мействам на основании концепции групповой технологии. Согласно этой кон­цепции, каждой детали присваивается код, зависящий от ее элементов, после чего детали группируются в семейства в соответствии с присвоенными кодами.

Технологическая подготовка производства новой детали начинается с кодирования особенностей. Затем деталь может быть отнесена к какому-либо семейству на основании ее кода. После из базы данных извлекается стандартный план производства для деталей этого семейства. В плане содержатся общие инструкции по производству деталей семейства, поэтому может потребо­ваться его редактирование для получения плана нужной детали. Редактирование осуществляется средствами компьютерной системы. Благодаря этому на этапе подготовки пла­на экономится время, а готовые планы оказываются гораздо более совершенными, чем разрабатываемые вручную. Если деталь не может быть отнесена к одному из существующих семейств, технолог может разработать но­вый стандартный план производства в интерактивном режиме.

В существующих CAPP-системах наиболее часто используется модифицированный подход.

Генеративный подход. Генеративный подходсостоит в том, что технологический план вырабатывается автоматически на основании технических требований к де­тали. В технические требования должны включаться подробные сведения о ма­териале, особенностях обработки и предлагаемых методиках проверки, а также графическое изображение формы детали.

Для построения подробного плана производства детали произвольной сложности требуется большая база данных и сложная логическая система. Поэтому на сегодняшний день генеративный подход ограничивается отдельными классами деталей с ограниченным набором элементов.