Проблемы при использовании параметризации.

Создание новой модели с новыми заданными конструктором параметрами может оказаться довольно сложной задачей, так как нет гарантии существования корректной модели с заданными параметрами. Например, при изменении связанных размеров некоторые параметры могут вырождаться (длина ступени вала большого диаметра, где левый торец ступени задан от правого торца вала, а правый – наоборот). Так что в некоторых случаях конструкция изменённой модели может получиться не такой, как ожидал конструктор, или не получиться вовсе.

Каждая конструкция обладает определённым числом степеней свободы. Каждый параметр или связь ограничивает некоторое количество степеней свободы. Чтобы параметрическая модель была полностью определённой, должно быть наложено ровно столько параметров и связей, сколько степеней свободы имеет модель.

Когда модель полностью определена, система не выдаёт никаких тревожных сообщений, идёт нормальная работа. Такое обычно бывает в самом начале, когда программа сама расставляет параметры и связи так, как считает нужным.

Если ограничений меньше, чем нужно, модель недоопределена, и недостающие значения подставляются произвольно.

Пакет моделирования обычно молча подставляет недостающие параметры и связи, исходя из текущих координат и размеров (автоматическая параметризация). Обычно эта ситуация не вызывает проблем даже тогда, когда пользователь удаляет какой-то параметр или связь. Проблема может быть только в том, что компьютер автоматически создаёт новые связи порой в непредсказуемых для пользователя местах. А если машина решает, что нужно восстановить именно ту связь, что была удалена, пользователь в принципе не может удалить такую связь. Другой вариант: машина сама ничего не подставляет, не создаёт новых связей, но при попытке изменить недоопределённую модель эскизы, на базе которых она построена, начинают «разъезжаться», возникают искажения эскизов в тех местах, где связи были заданы, или разрывы там, где их нет.

В результате либо возникают связи в непредсказуемых местах, а некоторые связи становится невозможно удалить; либо новые связи не создаются, и при попытке изменить модель возникают ошибки (разрывы или искажения) в геометрии.

Если ограничений слишком много, они начинают зависеть друг от друга, и часть параметров и связей перестают быть определяющими (причём какие именно – неизвестно). Это типичный случай, когда пользователь хочет добавить необходимые ему связь или размер. Чтобы восстановить баланс, компьютер должен удалить какие-либо связи. Иногда пакеты моделирования выдают сообщение и предоставляют пользователю возможность выбрать, какие связи удалить, но иногда они делают это автоматически и молча. В этом случае легко потерять важные связи, и ответственный размер может непредсказуемо изменить своё значение.

В результате либо автоматически удаляются произвольные связи (что может привести к потере важных связей), либо система требует от пользователя определить лишние связи для их удаления.

Таким образом, при использовании параметризации можно столкнуться с проблемами, особенно при моделировании сложных изделий с большим числом связей. ------> 13,71 мин.

Параметрическое твердотельное моделирование – один из наиболее удобных для конструктора методов. Однако конструкторам иногда требуются альтернативные возможности. Одна из таких возможностей – гибридное моделирование, реализованное во всех тяжёлых и большинстве средних систем. Оно позволяет сочетать каркасную, поверхностную, твердотельную геометрию и использовать комбинацию жёсткоразмерного (с явным заданием геометрии) и параметрического моделирования.

Конечно, лучше бы использовать единую стратегию моделирования для всех продуктов, но, во-первых, часто приходится применять ранее наработанные данные либо данные, импортируемые из других систем, а они могут иметь различные представления. Во-вторых, в какие-то моменты эффективнее работать с проволочными моделями или геометрией, описанной поверхностями. И наконец, часто бывает проще иметь различные представления для разных компонентов. Например, листовое покрытие выгоднее моделировать поверхностью, а для трубопроводов использовать осесимметричное представление.

Вдобавок, параметрические модели, в отличие от жёсткоразмерных, до сих пор не стандартизированы. Нынешние трансляторы данных IGES и STEP не работают с описаниями ограничивающих условий и истории – эта информация теряется при переносе из одной системы в другую. Поскольку параметрические модели основаны на истории построений, последующее редактирование созданных объектов становится затруднительным. Всё это делает гибридное моделирование во многих ситуациях необходимым. ------> 1,87 мин.

Сборки

Современные системы автоматизированного проектирования должны поддерживать коллективную работу над проектом. Сейчас разработано множество программных продуктов для организации коллективной работы. Однако наибольший выигрыш во времени разработки нового изделия можно получить, если обеспечить коллективную работу над проектированием сборочных единиц. При этом отдельные сотрудники должны иметь возможность работать с различными деталями проектируемого узла, а система должна отслеживать и исключать конфликты в модели сборки, которые могут появиться при деталировке конструкции.

Раньше, прежде чем вывести изделие на рынок, требовалось создать ряд версий его прототипов. К изготовлению прототипа можно приступать лишь тогда, когда пройдены этапы проектирования и подготовки производства. При этом в процессе изготовления прототипа постоянно обнаруживаются ошибки вроде несобираемости узлов из-за взаимопересечения деталей, или детали не сопрягаются, как положено, или же оказывается, что некоторые детали изготовить слишком сложно, и приходится изменять их конструкцию, что влечёт за собой изменение конструкции всех связанных с ней деталей. А значит, приходится возвращаться назад, исправлять ошибки в конструкции и переделывать прототип.

Создание даже довольно грубого прототипа в материале может потребовать гораздо больше времени и наверняка обойдётся гораздо дороже, чем проектирование виртуальной модели. В машиностроении, военной и аэрокосмической промышленности изделия состоят из десятков и сотен тысяч деталей. Автомобиль или самолёт включают в себя больше миллиона деталей. Даже отдельные узлы, например, двигатель – это многие тысячи деталей.

Даже для простых изделий вроде телефона стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, а полномасштабный прототип коммерческого авиалайнера будет стоить уже десятки миллионов.

Чтобы не тормозить и не удорожать процесс изготовления изделий, и появилась концепция виртуального прототипа изделия.

Виртуальный прототип (сборка) – это цифровое представление изделия, которое отражает пространственное взаимодействие компонентов и позволяет оценить работоспособность конструкции в целом.

Виртуальный прототип изделия способен заменить физический и позволить провести все те исследования, для выполнения которых раньше требовались натурные испытания.

Физический макет, как уже говорилось, может быть изготовлен только после завершения процесса проектирования. А виртуальный прототип создаётся сразу после выработки основных требований к изделию и формирования его концептуальной модели. Далее при детализации главной модели модифицируется и виртуальный прототип. Таким образом, процесс проектирования нового изделия сопровождается виртуальным макетированием, что позволяет проводить тестирование параллельно с разработкой и тем самым своевременно обнаруживать и исправлять возможные ошибки. ------> 5,53 мин.

Сборки позволяют:

1. Проверить взаимопересечения и взаимодействие деталей в узле.

2. Произвести тестирование и испытание виртуального прототипа.

3. Исключить необходимость в физическом прототипе.

4. Исправлять ошибки на ранних стадиях проектирования.

5. Ускорить разработку изделия и сократить затраты на его проектирование и производство.

По функциональному назначению средства виртуального макетирования делятся на четыре группы:

- средства визуализации, обеспечивающие возможность визуального анализа прототипа с учётом различных видов освещения и наложения текстур. Например, в Unigraphics имеется модуль визуализации, с помощью которого пользователь может осмотреть сборку, задав для быстрой навигации последовательность точек наблюдения и в автоматическом режиме осуществив их обход. А если подключить стереоочки, то пользователь сможет увидеть реалистичное трёхмерное изображение. Причём в таком режиме одновременно могут работать несколько пользователей при коллективной работе над проектом. Если пользователи находятся далеко друг от друга, то они могут оставлять свои комментарии прямо на электронном макете.

- средства функционального моделирования, предназначенные для оценки рабочих характеристик проектируемого изделия. С их помощью можно получить реалистичное представление того, как будет работать объект. Они позволяют выполнить измерения и тесты, аналогичные тем, которые выполняются при испытаниях физических прототипов. Пользователи могут программировать поведение макета, определяя его реакцию на различные средства управления: функциональные кнопки, переключатели и т.п. Это позволяет инженеру не просто осматривать макет, но и взаимодействовать с ним, например, нажав на кнопку, приводить в действие механизм или открывать и закрывать крышку прибора.

- средства моделирования процессов сборки изделий и проверки взаимодействия их составных частей. Они дают возможность моделировать процессы сборки и обслуживания узлов, анализировать стыковку и взаимное влияние деталей и компонентов сборок, а также анализировать возможность выполнения таких сборочных операций, как сверление отверстий в узле для крепления деталей или приложение нагрузки для обжатия деталей в сборке.

- средства моделирования работы оператора, которые позволяют оценить, насколько удобно новое изделие в эксплуатации и обслуживании. Это дополнительные модули, которые дают возможность дополнять электронный макет манекенами. Манекены моделируют поведение оператора, обслуживающего изделие, или рабочего, выполняющего сборку/разборку узлов. С помощью манекенов можно определять сферу обзора рабочего и доступность участков крепежа деталей, анализировать технологию монтажа и эксплуатации проектируемых устройств. Пользователь может непосредственно управлять движениями манекенов. -> 7,05 мин.

Существует два подхода к моделированию сборок: "сверху вниз" и "снизу вверх".

В подходе «сверху вниз» вначале создаётся сборка, которая является исходной информацией для последующей деталировки. Модели всех деталей создаются в контексте сборки, то есть на основе геометрических элементов других деталей. Проще говоря, элементы одних деталей привязываются к геометрическим элементам других деталей.

С точки зрения процесса конструирования это идеологически более правильный подход: работа ведётся от этапа компоновки к рабочему проектированию. Именно эта схема и преобладала до последнего времени. Прежде всего потому, что инструменты для её осуществления раньше всего были реализованы в программных продуктах.

Рассмотрим схему проектирования, характерную для этого метода.

Вначале создаётся сборка, куда входят управляющая модель, файлы деталей и подсборки. В управляющей модели создаются геометрические наборы с элементами типа точек, линий, плоскостей и поверхностей. Также создаётся один или несколько наборов параметров. В результате заготовленные геометрические элементы определяют положение будущих деталей и сборочных единиц в сборке.

Потом в сборку вставляются модели покупных изделий, заимствованных деталей и сборочных единиц, создаются новые детали и подсборки. Все эти дополнения привязываются к управляющей модели.

Работа над проектом начинается с того, что ведущий инженер создаёт управляющую модель с набором геометрических элементов и параметров. Затем он подготавливает задания для сотрудников на проектирование деталей, причём связи между составляющими сборки уже определены общей компоновкой. По зада­ниям и компоновке узла каждый сотрудник проектирует упрощённый вариант детали, входящей в сборку. Спроектированная геометрия детали возвращается в файл сборки. При таком подходе ведущему инженеру уже не приходится участвовать в организации сборки: глобальные координаты и положение каждой детали определены компоновкой, поэтому детали авто­матически встают на своё место.

На следующем этапе ведущий инженер компонует сборку из упрощённых деталей, дополняя её унифицированными и стандартными изделиями. Затем он анализирует пересечения тел и потребность в конструктивных элементах (например, в отверстиях под крепёж). Назначает или исправляет параметры сопряжений. И уточняет задания для сотрудников. По полученному заданию каждый сотрудник детализирует геометрию детали и возвращает её в сборку. Кстати, и сами сотрудники, видя окружение своей детали, самостоятельно могут уточнять её геометрию.

И далее этот цикл повторяется до тех пор, пока проект не будет завершён.

Значительный эффект от организации такой работы проявляется в сложных случаях – при проектировании нетипичных конструкций. Преимуществом также является возможность функциональной замены деталей и ведения нескольких версий проекта. И именно этот подход использует все преимущества коллективной работы над проектом.

Сборка «снизу вверх» соответствует реальному производственному процессу сборки. Конструкция узла создаётся путём привязки деталей друг к другу. Это традиционный, более распространённый и более предпочтительный вид проектирования. При этом подходе сначала создаются документы отдельных деталей, которые затем размещаются в сборке. На них имеются ссылки как на внешние компоненты. Когда все компоненты спроектированы, они собираются в сборку при помощи сопряжений. Основное преимущество этого способа – в том, что все компоненты проектируются независимо, и между ними легко поддерживать взаимосвязи. Поэтому при таком методе можно уделять больше внимания отдельным компонентам. Подход «снизу вверх» более предпочтителен при работе с большими сборками.

Для сборки «снизу вверх» сначала создаются модели деталей, которые затем объединяются в единую конструкцию путём наложения ограничений на пространственное расположение объектов.

Существует множество задач, для которых подход «снизу вверх» даёт значительное сокращение сроков проектирования. В первую очередь, это проектирование типичных механизмов с постоянной структурой, работа над которыми заключается в расчёте параметров и детализации геометрии. Это значительная доля проектирования, поскольку любой механизм из справочника по механизмам можно считать типичным. Сюда относятся штампы, пресс-формы, редукторы, двигатели, насосы, приводы, гидро- и пневмоцилиндры, муфты и т.п. Ускорение проектирования в этом случае достигается благодаря использованию параметрических элементов «корпоративных» библиотек.

Сейчас подход «снизу вверх» поддерживают почти все производители. -----> 5,71 мин.

Надо заметить, что чёткую границу между методами сборки в реальном проектировании установить довольно трудно. Использование библиотек компонентов является нормой современного проектирования, и обычно элемент библиотеки включают в сборку методом «снизу вверх». Поэтому при организации проектирования можно применять комбинированный метод сборки.

Однако на практике редко используется лишь один подход. Обычно метод «снизу вверх» применяется для создания стандартных компонентов и новых деталей, конструкция которых ясна, а метод «сверху вниз» - для разработки новых компонентов, связанных с уже существующими. Такое совместное использование двух методов называется гибридным моделированием.

Параллельная электронная сборка позволяет значительно снизить число переделок конструкции. Например, при проектировании компанией Shorts Brothers фюзеляжа нового самолёта бизнес-класса Learjet 45 эта технология позволила сократить основные переделки до 20% от исходного числа человеко-дней. Сам фюзеляж оказался не только наиболее сложным среди существующих, но и был разработан в гораздо меньшие сроки (на 40%), чем его предшественники. При этом показано десятикратное улучшение качества деталей и самой сборки. Как Shorts смогла этого добиться?

Вот выдержка из статьи о применении новых технологий в этой компании:

«Как и у многих других компаний, ранний опыт Shorts в технологии автоматизации проектно-конструкторских работ заключался в проволочном моделировании деталей, к которому она подошла в 70-80 годах, имея уже 70-летний опыт проектирования летательных аппаратов. В создаваемых Shorts фюзеляжах ранних самолётов регионального значения было обычно до 9500 структурных деталей. По архивным данным, подобные проекты отнимали на основные переделки до 150% человеко-дней и в абсолютном выражении могли потребовать 445 тыс. человеко-дней для завершения работ в течение четырёх лет.

Взявшись за проект Learjet 45, компания Shorts приложила значительные усилия для освоения альтернативных методов, приобретя опыт работы в новой технологии, включающей параметрическое и жёсткоразмерное твердотельное моделирование. Ожидалось, что твердотельное моделирование могло потенциально обеспечить 30%-ю экономию времени. Сейчас имеется уже много производителей, которые на себе испытали преимущества твердотельного моделирования. Однако в этих компаниях известно и то, что преимущества, полученные при проектировании отдельных деталей, не распространяются автоматически на качество компонентной сборки и возникающие из-за внутрисборочных коллизий переделки. Вследствие этого, относительный процент времени на переделки деталей продолжал оставаться неизменным, и затраты на эту работу оставались на том же уровне, как и при использовании проволочного моделирования.

В первую очередь в Shorts была применена тактика сведения подсборок, содержащих многочисленные компоненты, в меньшее число более сложных деталей, что стало возможным благодаря гибридному моделированию. Наиболее сложные детали, получаемые в технологии 5-координатной обработки, представляют собой гибридные модели, определённые ограничивающими поверхностями с жёстко заданными размерами относительно других более или менее сложных частей, которые могут быть заданы параметрически. Параметрический подход, хотя и более эффективен для компонентов невысокой и средней сложности, но для высокой сложности он либо менее эффективен, либо вообще не применим. При наличии CAM-технологии, обеспечивающей выход на станки с ЧПУ, применённый подход позволил увеличить сложность конструкции за счёт сведения многокомпонентной сборки в единый, очень сложный, обрабатываемый на ЧПУ компонент. В этом случае производитель экономит на документировании, изготовлении, эксплуатационном обслуживании и исключает проблемы, связанные с многокомпонентным монтажом. ------> 4,28 мин.

Примером сокращения числа деталей служит герметическая перегородка фюзеляжа Learjet 45. В предшествующем фюзеляже эта перегородка представляла собой сборку из 68 деталей средней сложности. В Learjet 45 она была заменена сложной, полученной 5-осевой обработкой, деталью и рядом простых, менее критичных деталей, как, например, кронштейны, опоры и т.д.

В целом, внедрив гибридное моделирование, Shorts смогла уменьшить число компонентов на 60%. В результате полное время на проектирование и подготовку производства было сокращено до 125 тыс. ч/д.

В конечном счёте Shorts перешла к стратегии параллельной электронной сборки. Эта стратегия сочетала технологию гибридного моделирования в системе CADDS 5 CV с электронным макетированием сборки в системе CAMU и с программным продуктом EDM для управления инженерными данными.

Среда CAMU дала многопрофильным проектно-конструкторским бригадам (силовые конструкции, прокладка трубопроводов, анализ/расчёт прочности, механообработка, подготовка производства, технический контроль, сборка/монтаж, обслуживание/сопровождение) компании Shorts возможности согласованной параллельной работы, при которой общесистемные проблемы идентифицировались и решались по мере их возникновения. В результате основные переделки были сокращены до 20% от исходного числа человеко-дней (сравните с обычной величиной 150%).

Обычно "параллельные" (смежные) конструкторы конфликтуют из-за вынужденной конкуренции за использование ограниченного пространства. Электронная сборка сводит потери к минимуму, позволяя членам бригад видеть работу друг друга. В одном случае инженеры Shorts смогли оптимизировать размещение труб и жгутов посредством CAMU, автоматически проверив, что трубы не будут пересекаться, а все провода будут подсоединены. Из 8000 деталей, спроектированных в системе CV, 80% были сделаны правильно с первого раза. Остальная часть потребовала однократных изменений, около половины из них были результатом вводимых конструктором дополнений.

Общее время разработки и подготовки производства было сокращено до 60 тыс. ч/д. Цикл разработки типового фюзеляжа сократился с 4 лет до 1,5 - 2 лет». ---> Σ 82,22 мин.

===================== 5 лекция ↓