Трехмерное параметрическое моделирование - (курсовая)
Дата добавления: март 2006г.
Трехмерное параметрическое моделирование на персональных компьютерах
Состояние рынка САПР, или что изменилось на работающем промышленном предприятии.
За последние 7-8 лет промышленными предприятиями накоплен немалый автоматизации локальных служб конструкторских и технологических подразделений. Несмотря на ограниченное применение средств САПР в реальной работе, результат очевиден уровень владения новыми технологиями, знание различных прикладных систем, приобретенный реальный опыт работы плюс сотни (тысячи) разработанных чертежей, управляющих программ, моделей и т. п. Практически на каждом предприятии используются сети, ширится применение телекоммуникационных технологий (электронной почты, ИНТЕРНЕТ).
Автоматизированные системы проектирования постепенно, но все же становятся обычным и привычным инструментом конструктора, технолога, расчетчика. Конкурировать иначе в условиях, когда сроки являются основным требованием заказчика, не представляется возможным. И хотя психологически руководителю отечественного промышленного предприятия трудно свыкнуться с мыслью, что дискеты с программами могут стоить дороже оборудования, это нисколько не удивительно, ибо интеллектуальный продукт является плодом многолетних научных, исследовательских и практических работ целого коллектива и колоссальных финансовых вложений. Надо осознать, что не только аппаратные, но и программные средства компьютеризации являются такими же важнейшими частями и ресурсами научно-производственного процесса, как персонал, сырье или электроэнергия. Стремительно развивающаяся компьютерная индустрия и выход новейших операционных систем WINDOWS 95 и WINDOWS NT 4. 0 явно обозначили новый виток гонки информационных технологий. За видимой частью айсберга (измененный интерфейс, пиктограммные меню, удобная и наглядная работа с файлами) надо видеть главное WINDOWS не ограничивается красивым оформлением, это качественно новый уровень работы пользователя, архитектуры комплекса, тесная интеграция разнородных систем, встроенные сетевые возможности и многое другое. Здесь стали реальностью многие задачи, решение которых в среде DOS в принципе не представлялось возможным.
Наметилось явное изменение структуры рынка САПР. Приобретение мощных дорогостоящих систем, требующих высокого уровня персонала, не решает всех проблем конструкторских и технологических служб. Тезис “мы купим 7 больших пакетов и нам больше ничего не надо” не оправдывается, а затраченные денежные средства зачастую не окупаются. Выход видится опять же в интеграции, позволяющей к тому же решать задачи при минимуме вложений. Появление в последнее время новой генерации систем среднего класса типа SolidWorks , тесно интегрированными с чертежной графикой, существующими технологическими и расчетными приложениями, позволяет говорить о том, что 50-80% задач можно решить при качественно меньших затратах. Можно прогнозировать передел рынка CAD/CAM, захват определенной его части, принадлежащей исключительно тяжелым системам, а также потеснение балансирующего между легким и средним классом AutoCAD.
2. Новейшие средства конструкторского твердотельного моделирования SolidWorks
Ярко выраженная полярность систем программного обеспечения САПР, существовавшая долгие годы, предлагала на выбор или мощные дорогостоящие “тяжелые” системы (класса CATIA, EUCLID, CADDS5, Pro/Engineer, Unigraphics) или “легкие” продукты, в основном отвечающие за выпуск чертежно-конструкторской документации или обеспечивающие ограниченное твердотельное моделирование. Появившиеся за последний год на рынке новейшие системы конструкторского моделирования заполняют этот вакуум и предлагают мощные решения среднего уровня в ценовом диапазоне $6000-$8000 за рабочее место. Один из самых заметных программных продуктов, относящихся к новой генерации, является SolidWorks, разработанный американской компанией SolidWorks Corporation, которая преследовала цель создания массовой системы для каждого конструктора под лозунгом “последние разработки в области CAD/CAM на каждый рабочий стол”. При этом мощный функционал продукта по возможностям конструирования приближает его к системам класса Pro/Engineer и позволяет создавать достаточно сложные трехмерные детали и сборки.
Твердотельное параметрическое моделирование детали базируется на создании дерева построений, отражающего этапы ее формообразования. Исходные примитивы, добавляемые к текущей модели или вычитаемые из нее, формируются на базе плоского эскиза (плоского замкнутого контура без самопересечений), выполненного в произвольно ориентированной плоскости. К ним относятся тела вращения и выдавливания, тела, полученные сопряжением произвольно ориентированных сечений или сдвигом. Мощный аппарат наложения размерных и геометрических связей (ограничений) на геометрические элементы обеспечивают построение параметрической модели с возможностью изменения произвольного параметра, связывания его с значением другого параметра и т. п. Сохраняется неразрывная связь эскиз - твердое тело, дающая возможность при необходимости корректировать модель через изменение её эскиза.
Возможности моделирования включают также в себя построения трёхмерных фасок и скруглений, ребер жесткости и литейных уклонов, создание различными способами полых (тонкостенных) тел, использование мощного аппарата построения вспомогательных плоскостей и осей. В версии SolidWorks-97 появились возможности оперировать трехмерными сплайнами и достаточно сложными поверхностями, которые могут служить ограничением при различных формообразующих операциях или границей отсечения части тела, а для деталей одной толщины выполнять развертку. Ведение файла протокола позволяет отслеживать процесс создания трехмерной модели и вносить в него необходимые изменений. Можно изменить любой параметр модели и через несколько секунд увидеть результаты полной перестройки модели. Широкие возможности визуализации и создания фотореалистичных изображений с использованием дополнительных источников освещения и регулированием характеристик поверхности материала (отражение или поглощение им света, излучение и шероховатость поверхности) позволяют работать в режиме реального времени с тонированными изображениями модели.
Созданные детали могут объединяться в сборку с заданием ограничений взаимного расположения любых деталей друг относительно друга (соосность, фиксация, совпадение точек и плоскостей и многое другое) и регулировкой характеристик каждой детали.
На основе трехмерного объекта возможно автоматическое создание чертежа детали, состоящего из основных и вспомогательных видов, сложных разрезов и сечений. Поддержка многочисленных форматов обмена позволяет использовать любой чертежно-графический редактор. Вообще следует отметить мощные интеграционные возможности системы, обеспечивающей интерфейс с ведущими технологическими и расчетными приложениями, а существующие средства разработки приложений позволяют стыковать прикладные системы с геометрическим ядром SolidWorks. Новая генерация систем может заметно потеснить дорогостоящие интегрированные системы и существенно снизит количественную потребность их применения. Предлагаемая связка SolidWorks и КОМПАС-ГРАФИК 5 обеспечит мощное конструирование и эффективный выпуск чертежной документации.
3. SolidWorks 97: от и до.
Новейшая системы трехмерного проектирования, дающей конструктору качественно новые возможности.
3. 1 SolidWorks “взрывает” рынок CAD/CAM
1995 год стал переломным для мирового рынка систем CAD/CAM массового применения. Впервые за долгое время пакеты твёрдотельного параметрического моделирования с промышленными возможностями стали доступны пользователям персональных компьютеров. Одно из лучших решений такого уровня смогла предложить американская компания SolidWorks Corporation. Созданная в 1993 году, эта фирма уже через два года, в ноябре 1995-го, выпустила на базе геометрического ядра Parasolid свой первый программный продукт. Пакет твёрдотельного параметрического моделирования SolidWorks 95 сразу занял ведущие позиции среди продуктов этого класса, буквально ворвавшись в мировую “табель о рангах” систем CAD/CAM.
К середине 90-х годов многие конструкторы и технологи во всём мире практически одновременно пришли к одинаковому выводу - для того, чтобы повысить эффективность своего труда и качество разрабатываемой продукции, необходимо срочно переходить от работы в смешанной среде двумерной графики и трёхмерного моделирования к использованию объёмных моделей, в качестве основных объектов проектирования. В поисках максимально подходящей для решения поставленной задачи системы пользователи определили требования к ней - стандартный и интуитивно понятный пользовательский интерфейс, возможность эффективного твёрдотельного моделирования на промышленном уровне и, конечно, наиболее привлекательная цена при высокой эффективности пакета.
Создатели системы SolidWorks учли все эти требования, и, таким образом, дали возможность десяткам тысяч конструкторов использовать на своих персональных рабочих местах новейшие достижения науки в области технологий CAD/CAM.
3. 2 Пользовательский интерфейс SolidWorks
В отличие от многих других приложений САПР, созданных для работы на графических станциях с ОС UNIX и уже впоследствии переписанных под Windows, SolidWorks является первой системой твёрдотельного параметрического моделирования, изначально предназначенной для использования на персональных компьютерах под управлением наиболее распространенных операционных систем Windows 95 и Windows NT. При этом возможности твёрдотельного моделирования, реализованные в системе, вполне сопоставимы с возможностями систем “тяжёлого” класса, работающих на платформе UNIX.
SolidWorks 97 “играет” точно по принятым в Windows правилам, к их числу которых можно отнести многооконный режим работы, поддержка стандарта “drag and drop”, настраиваемый пользователем интерфейс, использование буфера обмена и полная поддержка технологии OLE Automation. Являясь стандартным приложением Windows, SolidWorks прост в использовании и, что особенно важно, лёгок в изучении. И разработчики системы совершенно оправданно заявляют, что “если Вы уже знаете Windows, то можете смело начинать проектирование с помощью SolidWorks”. Самое главное, что даёт конструктору SolidWorks 97 - это возможность работать так, как он привык, не подстраиваясь под особенности используемой компьютерной системы. Процесс моделирования начинается с выбора конструктивной плоскости, в которой будет строится двухмерный эскиз. Впоследствии этот эскиз можно тем или иным способом легко преобразовать в твёрдое тело. При создании эскиза доступен полный набор геометрических построений и операций редактирования. Нет никакой необходимости сразу точно выдерживать требуемые размеры, достаточно примерно соблюдать конфигурацию эскиза. Позже, если потребуется, конструктор может изменить значение любого размера и наложить связи, ограничивающие взаимное расположение отрезков, дуг, окружностей и т. п. Эскиз конструктивного элемента может быть легко отредактирован в любой момент работы над моделью. Пользователю предоставляются несколько различных средств создания объёмных моделей. Основными формообразующими операциями в SolidWorks 97 являются команды добавления и снятия материала. Система позволяет выдавливать контур с различными конечными условиями, в том числе на заданную длину или до указанной поверхности, а также вращать контур вокруг заданной оси. Возможно создание тела по заданным контурам с использованием нескольких образующих кривых (так называемая операция лофтинга) и выдавливанием контура вдоль заданной траектории. Кроме того, в SolidWorks 97 необычайно легко строятся литейные уклоны на выбранных гранях модели, полости в твёрдых телах с заданием различных толщин для различных граней, скругления постоянного и переменного радиуса, фаски и отверстия сложной формы.
При этом система позволяет отредактировать в любой момент времени однажды построенный элемент твердотельный модели.
Важной характеристикой системы является возможность получения развёрток для спроектированных деталей из листового материала. При необходимости в модель, находящуюся в развёрнутом состоянии, могут быть добавлены новые места сгиба и различные конструктивные элементы, которые по каким-либо причинам нельзя было создать раньше.
При проектировании деталей, изготовляемых литьём, очень полезной оказывается возможность создания разъёмных литейных форм. Если для работы необходимо использовать какие-либо часто повторяющиеся конструктивные элементы, на помощь приходит способность системы сохранять примитивы в виде библиотечных элементов.
Кроме проектирования твёрдотельных моделей, SolidWorks 97 поддерживает и возможность поверхностного представления объектов. При работе с поверхностями используются те же основные способы, что и при работе с твёрдыми телами. Возможно построение поверхностей, эквидистантных к выбранным, а также импорт поверхностей из других систем с использованием формата IGES. Значительно упрощают работу многочисленные сервисные возможности, такие как копирование выбранных конструктивных элементов по линии или по кругу, зеркальное отображение как указанных примитивов или модели. При редактировании конструктор может возвратить модель в состояние, предшествовавшее созданию выбранного элемента. Это может потребоваться для выполнения каких-либо действий, невозможных в текущий момент.
3. 3 Создaние эскизa
Пpоцесс создaния модели в SolidWorks нaчинaется с постpоения опоpного телa и последующего добaвления или вычитaния мaтеpиaлa. Для постpоения телa пеpвонaчaльно стpоится эскиз констpуктивного элементa нa плоскости, впоследствии пpеобpaзуемый тем или иным способом в твёpдое тело. SolidWorks пpедоствaляет пользовaтелю полный нaбоp функций геометpических постpоений и опеpaций pедaктиpовaния. Основное тpебовaние, пpедъявляемое системой к эскизу пpи paботе с твёpдыми телaми - это зaмкнутость и отсутствие сaмопеpесечений у контуpa.
Пpи создaнии контуpa нет необходимости точно выдеpживaть тpебуемые paзмеpы, сaмое глaвное нa этом этaпе - зaдaть положение его элементов. Зaтем, блaгодapя тому, что создaвaемый эскиз полностью пapaметpизовaн, можно устaновить для кaждого элементa тpебуемый paзмеp. Кpоме того, для элементов, входящих в контуp, могут быть зaдaны огpaничения нa paсположение и связи с дpугими элементaми.
3. 4 Создaние твеpдотельной пapaметpической модели
SolidWorks содеpжит высокоэффективные сpедствa твеpдотельного моделиpовaния, основывaющиеся нa постепенном добaвлении или вычитaнии бaзовых констpуктивных тел. Эскиз для получения бaзового телa может быть постpоен нa пpоизвольной paбочей плоскости.
Типовые инстpументы для получения бaзовых тел позволяют выполнить: выдaвливaние зaдaнного контуpa с возможностью укaзaния углa нaклонa обpaзующей; вpaщение контуpa вокpуг оси;
создaние твёpдого телa, огpaничивaемого повеpхностью пеpеходa между зaдaнными контуpaми;
выдaвливaние контуpa вдоль зaдaнной кpивой;
постpоение фaсок и скpуглений paзличного видa;
постpоение уклонов;
создaние paзличного типa отвеpстий;
получение paзвёpтки тел paвномеpной толщины.
Основные методы создaния твёpдого телa сочетaют в себе тaкже возможность комбинaции всех пеpечисленных способов кaк пpи добaвлении мaтеpиaлa, тaк и пpи его снятии. Естественный поpядок paботы констpуктоpa без тpудa позволяет создaвaть сложные твёpдотельные модели, состоящие из сотен констpуктивных элементов. Пpи необходимости во вpемя paботы возможно введение вспомогaтельных плоскостей и осей для использовaния в дaльнейших постpоениях. Пapaметpы всех создaнных констpуктивных элементов доступны для изменения, тaк что в любой момент paботы можно изменить пpоизвольный пapaметp эскизa или бaзового телa и выполнить зaтем полную пеpестpойку модели.
Кpоме создaния твёpдых тел, в SolidWorks существует возможность постpоения paзличных повеpхностей, котоpые могут быть использовaны кaк для вспомогaтельных постpоений, тaк и сaмостоятельно. Повеpхности могут быть импоpтиpовaны из любой внешней системы или постpоены теми же способaми, что и твёpдые телa (выдaвливaние, вpaщение, пеpеход между контуpaми и т. п. ). Допускaется получение слепкa любой из повеpхностей уже постpоенного твеpдого телa. Pежимы визуaлизaции полученной модели позволяют пpосмaтpивaть ее кapкaсное или pеaлистичное изобpaжение. Для повышения кaчествa тониpовaнных изобpaжений могут быть изменены физические хapaктеpистики повеpхности детaли (текстуpы) и нaзнaчены дополнительные источники светa.
3. 5 Библиотеки стaндapтных элементов
SolidWorks пpедостaвляет возможности создaния библиотек стaндapтных твеpдотельных моделей. Пpи этом необходимо создaть упpaвляющую тaблицу с пapaметpaми постpоенной модели. Стpочки тaблицы содеpжaт нaбоpы пapaметpов для paзличных типоpaзмеpов. Впоследствие для получения конкpетной детaли тpебуемого типоpaзмеpa достaточно будет выбpaть нужное знaчение из спискa.
3. 6 Создание сборок
SolidWorks 97 предлагает конструктору довольно гибкие возможности создания узлов и сборок. Система поддерживает как создание сборки способом “снизу вверх”, т. е. на основе уже имеющихся деталей, число которых может доходить до сотен и тысяч, так и проектирование “сверху вниз”.
Проектирование сборки начинается с задания взаимного расположения деталей друг относительно друга, причем обеспечивается предварительный просмотр накладываемой пространственной связи. Для цилиндрических поверхностей могут быть заданы связи концентричности, для плоскостей - их совпадение, параллельность, перпендикулярность или угол взаимного расположения. Работая со сборкой, можно по мере необходимости создавать новые детали, определяя их размеры и расположение в пространстве относительно других элементов сборки. Наложенные связи позволяют автоматически перестраивать всю сборку при изменении параметров любой из деталей, входящих в узел. Каждая деталь обладает материальными свойствами, поэтому существует возможность контроля собираемости сборки. Для проектирования изделий, получаемых с помощью сварки, система позволяет выполнить объединение нескольких свариваемых деталей в одну.
3. 7 Управление моделью с помощью Дерева Построений (Feature Manager)
Для упрощения работы с трехмерной моделью на любом этапе проектирования и повышения её наглядности в SolidWorks 97 используется Дерево Построений (Feature Manager) в стиле Проводника Windows 95. Оно представляет собой своеобразную графическую карту модели, последовательно отражающую все геометрические примитивы, которые были использованы при создании детали, а также конструктивные оси и вспомогательные плоскости, на которых создавались двухмерные эскизы. При работе же в режиме сборки Дерево Построений показывает список деталей, входящих в сборку. Обычно Дерево Построений отображается в левой части окна SolidWorks, хотя его положение можно в любой момент изменить. Feature Manager предоставляет мощные средства редактирования структуры модели или узла. Он позволяет переопределять порядок следования отдельных конструктивных элементов либо целых деталей, создавать в пределах детали или сборки несколько вариантов конфигурации какого-либо элемента и т. д.
3. 8 Визуализация проектируемых изделий
Используемая в SolidWorks 97 технология OpenGL позволяет конструктору практически мгновенно получить высококачественные тонированные изображения деталей или сборок, а также динамически вращать их в режиме реального времени. Причем все это доступно без установки на компьютер дорогостоящих дополнительных графических ускорителей.
