Параметризация компас 3д

Параметрическое моделирование (параметризация) — моделирование (проектирование) с использованием параметров элементов модели и соотношений  между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических соотношений) различные  конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок. Параметрическое моделирование существенно отличается от обычного двухмерного черчения или трёхмерного моделирования. Конструктор в случае параметрического проектирования создаёт математическую модель объектов с параметрами, при изменении которых происходят изменения конфигурации детали, взаимные перемещения деталей в сборке и т. п. Идея параметрического моделирования появилась ещё на ранних этапах развития САПР, но долгое время не могла быть осуществлена по причине недостаточной компьютерной производительности. История параметрического моделирования собственно началась в 1989 году, когда вышли первые САПР с возможностью параметризации. Первопроходцами были Pro/Engineer (трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование) фирмы Parametric Technology Corporation и T-FLEX CAD (двухмерное параметрическое моделирование) фирмы Топ Системы.

Двухмерное  параметрическое черчение и моделирование

Параметризация  двухмерных чертежей обычно доступна в CAD-системах среднего и тяжёлого классов. Однако ставка в этих системах сделана на трёхмерную технологию проектирования и возможности параметризации двухмерных чертежей практически не используются. Параметрические CAD-системы, ориентированные на двухмерное черчение (лёгкий класс) зачастую являются «урезанными» версиями более продвинутых САПР.

Примеры двухмерных САПР с  возможностью параметризации:

ADEM CAD/CAM/CAPP —  интегрированная система, предназначенная  для автоматизации конструкторско-технологической  подготовки производства.

T-FLEX CAD 2D —  «урезанный» вариант T-FLEX CAD 3D от  российской компании «Топ Системы». Позволяет создавать полностью  параметризованные чертежи. Имеется  функция автоматической параметризации.

Solid Edge 2D — «урезанный» вариант Solid Edge от Siemens PLM Software. Программа полностью бесплатна, в том числе для коммерческого применения.

AutoCAD (c оговорками) — начиная с версии 2010, в AutoCAD появилась возможность создавать параметрические чертежи. С версии 2006 в AutoCAD присутствует возможность создавать двухмерные динамические блоки. Динамические блоки фактически представляют собой реализацию табличной параметризации. В вертикальных решениях на базе AutoCAD возможности параметризации обычно значительно шире.

AutoCAD Mechanical — специализированное решение для двухмерного машиностроительного проектирования и черчения на базе AutoCAD. В AutoCAD Mechanical используется собственный механизм параметризации, не связанный с динамическими блоками базовой системы.

КОМПАС-График — система двухмерного машиностроительного  и строительного проектирования и черчения, разработанная компанией  АСКОН.

Трёхмерное  твердотельное параметрическое  моделирование

Трёхмерное  параметрическое моделирование  является гораздо более эффективным (но и более сложным) инструментом, нежели двухмерное параметрическое  моделирование. В современных САПР среднего и тяжёлого классов наличие параметрической модели заложено в идеологию самих САПР. Существование параметрического описания объекта является базой для всего процесса проектирования.

Примеры САПР, использующих трёхмерное твердотельное  параметрическое моделирование:

ADEM CAD/CAM/CAPP —  российская САПР среднего класса,

CATIA — САПР  тяжёлого класса французской  фирмы Dassault Systemes,

NX (Unigraphics) — САПР тяжёлого класса Siemens PLM Software,

Creo Parametric ранее Pro/Engineer — САПР тяжёлого класса Parametric Technology Corporation (PTC),

Inventor — САПР среднего класса от Autodesk,

Solid Edge — САПР среднего класса от Siemens PLM Software,

SolidWorks — САПР среднего класса SolidWorks Corporation (подразделение Dassault Systemes),

3design CAD —  САПР для ювелирного и графического  дизайна от Vision Numeric,

T-FLEX CAD —  российская САПР среднего класса, использующая геометрическую параметризацию, компании Топ Системы,

КОМПАС-3D —  известная российская САПР среднего класса компании АСКОН, созданная на основе собственного ядра геометрического  моделирования.

Типы параметризации

Табличная параметризация

Табличная параметризация заключается в создании таблицы  параметров типовых деталей. Создание нового экземпляра детали производится путём выбора из таблицы типоразмеров. Возможности табличной параметризации весьма ограничены, поскольку задание  произвольных новых значений параметров и геометрических отношений обычно невозможно. Однако табличная параметризация находит широкое применение во всех параметрических САПР, поскольку позволяет существенно упростить и ускорить создание библиотек стандартных и типовых деталей, а также их применение в процессе конструкторского проектирования.

Иерархическая параметризация

Иерархическая параметризация (параметризация на основе истории построений) заключается  в том, что в ходе построения модели вся последовательность построения отображается в отдельном окне в  виде «древа построения». В нем перечислены  все существующие в модели вспомогательные  элементы, эскизы и выполненные операции в порядке их создания. Помимо «древа построения» модели, система запоминает не только порядок её формирования, но и иерархию её элементов (отношения между элементами). Пример: сборки → подсборки → детали. Параметризация на основе истории построений присутствует во всех САПР использующих трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование. Обычно такой тип параметрического моделирования сочетается с вариационной и/или геометрической параметризацией.

Вариационная (размерная) параметризация

Вариационная  или размерная параметризация основана на построении эскизов (с наложением на объекты эскиза различных параметрических  связей) и наложении пользователем  ограничений в виде системы уравнений, определяющих зависимости между параметрами. Процесс создания параметрической модели с использованием вариационной параметризации выглядит следующим образом: На первом этапе создаётся эскиз (профиль) для трёхмерной операции. На эскиз накладываются необходимые параметрические связи. Затем эскиз «образмеривается». Уточняются отдельные размеры профиля. На этом этапе отдельные размеры можно обозначить как переменные (например, присвоить имя «Length») и задать зависимости других размеров от этих переменных в виде формул (например, «Length/2») Затем производится трёхмерная операция (например, выдавливание), значение атрибутов операции тоже служит параметром (например, величина выдавливания). В случае необходимости создания сборки, взаимное положение компонентов сборки задаётся путём указания сопряжений между ними (совпадение, параллельность или перпендикулярность граней и рёбер, расположение объектов на расстоянии или под углом друг к другу и т. п.). Вариационная параметризация позволяет легко изменять форму эскиза или величину параметров операций, что позволяет удобно модифицировать трёхмерную модель.

Геометрическая параметризация

Геометрической  параметризацией называется параметрическое  моделирование, при котором геометрия  каждого параметрического объекта  пересчитывается в зависимости  от положения родительских объектов, его параметров и переменных. Параметрическая модель, в случае геометрической параметризации, состоит из элементов построения и элементов изображения. Элементы построения (конструкторские линии) задают параметрические связи. К элементам изображения относятся линии изображения (которыми обводятся конструкторские линии), а также элементы оформления (размеры, надписи, штриховки и т. п.). Одни элементы построения могут зависеть от других элементов построения. Элементы построения могут содержать и параметры (например, радиус окружности или угол наклона прямой). При изменении одного из элементов модели все зависящие от него элементы перестраиваются в соответствии со своими параметрами и способами их задания. Процесс создания параметрической модели методом геометрической параметризации выглядит следующим образом: На первом этапе конструктор задаёт геометрию профиля конструкторскими линиями, отмечает ключевые точки. Затем проставляет размеры между конструкторскими линиями. На этом этапе можно задать зависимость размеров друг от друга. Затем обводит конструкторские линии линиями изображения — получается профиль, с которым можно осуществлять различные трёхмерные операции. Последующие этапы в целом аналогичны процессу моделирования с использованием метода вариационной параметризации. Геометрическая параметризация даёт возможность более гибкого редактирования модели. В случае необходимости внесения незапланированного изменения в геометрию модели не обязательно удалять исходные линии построения (это может привести к потере ассоциативных взаимосвязей между элементами модели), можно провести новую линию построения и перенести на неё линию изображения.

Ядро геометрического моделирования C3D

C3D — программный  компонент для разработчиков  прикладных решений. Геометрическое  ядро представляет собой программную  реализацию математических методов  построения численных моделей  геометрии реальных и воображаемых  объектов, а также математических  методов управления этими моделями. Численные модели используются  в системах, выполняющих проектирование (CAD), расчёты (CAE) и подготовку производства (CAM) моделируемых объектов. Ядро C3D лежит  в основе флагманского продукта  АСКОН — системы трехмерного  моделирования КОМПАС-3D.

Ядро C3D состоит  из трех связанных компонентов:

—Модуль геометрического моделирования C3D Modeler — геометрический моделировщик, предоставляет достаточный набор возможностей для твердотельного и гибридного моделирования, эскизирования и 2D-черчения.

—Модуль параметризации C3D Solver — решатель параметрических ограничений, позволяет добавлять и решать параметрические ограничения как для 2D, так и для 3D геометрии.

—Модуль трансляции данных C3D Converter — модуль конвертеров, обеспечивает чтение/запись геометрической модели в основные обменные форматы.

Разработчику  конечного приложения ядро позволяет:

—повысить функциональные возможности продукта

—быстро создать 3D-продукт на основе существующей 2D-системы

—снизить  затраты на собственную разработку

—повысить надежность и быстродействие продукта.

Функциональность  ядра

C3D Modeler

—моделирование  тел

—моделирование  поверхностей

—моделирование  листовых тел

—скругления, сглаживания, фаски

—дополнительные операции

—триангуляция

—анализ моделей

—построение плоских проекций модели.

C3D Solver

—решатель 2D-ограничений для 2D-черчения и эскизов  в 3D

—решатель 3D-ограничений для создания сборок и кинематического анализа.

C3D Converter, поддерживаемые форматы:

—STEP (чтение/запись)

—Parasolid (чтение/запись)

—ACIS (чтение/запись)

—IGES (чтение/запись)

—STL (запись)

—VRML (запись).

Платформа разработки

В данный момент ядро обеспечивает работу для следующих  операционных систем:

—Windows XP 32/64-bit

—Windows Vista 32/64-bit

—Windows 7 32/64-bit

—Windows 8 32/64-bit

—Linux 32/64-bit

Для разработки необходимо использовать следующие  среды разработки:

—MS Visual Studio 2005 SP1

—MS Visual Studio 2008 SP1

—MS Visual Studio 2010 SP1

Подробнее о  технологиях C3D

Геометрическое  ядро C3D для описания геометрической формы использует набор поверхностей, проходящих по границе, отделяющей внутреннее пространство моделируемого объекта  от остальной части пространства. Такой подход называют граничным  представлением (B-Rep). С помощью триангуляции граничное представление позволяет построить упрощённое представление модели, которое используется для визуализации и геометрических расчётов. Триангуляция в геометрическом ядре C3D выполняется по принципу Делоне в плоскости параметров поверхностей. Связи элементов модели формулируют в виде уравнений и неравенств. Связи элементов модели называют геометрическими ограничениями (Geometric Constraints). Для поиска решения, удовлетворяющего уравнениям и неравенствам геометрических ограничений, геометрическое ядро C3D использует вариационный подход, который обеспечивает равноправие всех связей. Геометрические ограничения обеспечивают взаимосвязь между элементами модели, позволяют создавать подобные модели и управлять геометрической моделью.

Геометрическое ядро

 Геометрическое  ядро — это программный компонент  для разработчиков прикладных  решений. Оно представляет собой  программную реализацию математических  методов построения численных  моделей геометрии реальных и  воображаемых объектов, а также  математических методов управления  этими моделями. Численные модели  используются в системах, выполняющих  проектирование (CAD), расчёты (CAE) и  подготовку производства (CAM) моделируемых объектов. Каждый разработчик прикладного решения стоит перед выбором: писать ли необходимые математические алгоритмы самому или приобрести сторонний компонент. У каждого подхода есть свои плюсы и минусы. Что дает разработчику использование стороннего ядра? Главное — это возможность быстро повысить функциональные возможности своего продукта, не занимаясь решением задач геометрического моделирования, а работая над прикладными задачами приложения. Второй важный момент — это снижение затрат на разработку продукта, ведь математические алгоритмы — самая сложная и трудоемкая часть систем автоматизированного проектирования. Основные потребители геометрического ядра — это разработчики САПР, производители 3D-пакетов. Но не стоит забывать о том, что ядро может пригодиться и учебным заведениям! В частности, оно поможет в обучении студентов по курсам Начертательная геометрия, Машинная графика, Геометрическое моделирование и Вычислительная геометрия, для обучения будущих математиков-программистов и разработчиков САПР. Использовать напрямую ядро (а не API CAD-систем) можно при выполнении научно-исследовательских работ, которым требуется построение трехмерных геометрических моделей. Кроме того, ядро геометрического моделирования может использоваться как при написании вузовского специализированного программного обеспечения, так и для создания коммерческого ПО в рамках малых инновационных предприятий, активно создаваемых при университетах.  Кстати, про предприятия. Если в организации есть сложные, узкоспециализированные задачи, для решения которых на рынке нет программного обеспечения (или оно по каким-то причинам недоступно), то лицензирование ядра позволит такое ПО создать самим. Конечно, в штате предприятия должны быть программисты и аналитики, обладающие необходимым опытом и знаниями. Как видите, задач для геометрических ядер много, а самих ядер — очень мало. Полноценные коммерческие ядра геометрического моделирования разработаны единичными командами в мире, а в России компания АСКОН — единственная, кому это удалось. И сейчас как раз время поговорить о нашем C3D.

Ядро C3D

 Решение  о написании собственного геометрического  ядра было принято в компании  АСКОН в 1995 году в рамках  начала работ по созданию системы  трехмерного моделирования КОМПАС-3D, коммерческий выпуск которой  состоялся в 2000 году. До 2012 года  ядро не было коммерческим  продуктом и использовалось только  в составе собственной САПР  КОМПАС-3D. Все эти годы оно совершенствовалось, обеспечивая функциональное развитие  КОМПАС-3D. Перечислим основные вехи:

2000 год: создано  достаточное для использования  в САПР количество алгоритмов  трехмерного твердотельного моделирования; 

2001 год: реализация  решателя геометрических ограничений  и конвертеров в основные обменные  форматы данных;

2002 год: создание  механизма построения ассоциативных  видов по трехмерным моделям; 

2003 год: появление  основ поверхностного моделирования; 

2004 год: описание  математических алгоритмов создания  элементов листового тела;

2005 год: реализация  многотельного моделирования;

2007 год: поддержка  каркасной модели;

2008 год: реализация  кинематических сопряжений для  моделирования механизмов;

2009 год: поддержка  атрибутов геометрической модели;

2010 год: появление  полноценного поверхностного моделирования; 

2011 год: реализация  кроссплатформенности;

2012 год: реализация  элементов прямого моделирования.

17 лет команда  разработки развивала геометрическое  ядро: совершенствовала его архитектуру,  создавала новую функциональность, модернизировала ранее реализованные  методы. Без уникального опыта,  основанного на практическом  применении КОМПАС-3D на десятках  тысяч рабочих мест, невозможно  было бы говорить о возможности  выпуска C3D в свободное коммерческое  плавание. Создать конкурентоспособное  ядро с нуля, без опыта практического  применения, просто невозможно.

 На сегодняшний  день ядро C3D — единственное в  мире, объединяющее в одном продукте  три важнейших модуля САПР:

геометрический  моделировщик C3D Modeler, предоставляющий достаточный набор возможностей для твердотельного и гибридного моделирования, эскизирования и 2D-черчения;

решатель  геометрических ограничений C3D Solver, позволяющий накладывать вариационные зависимости на 2D и 3D элементы геометрической модели;

конвертер данных C3D Converter, обеспечивающий чтение/запись геометрической модели в основные обменные форматы.

 Все эти  модули теперь доступны не  только командам разработки внутри  АСКОН, но и всем желающим.

Первопроходцы

 В эти  дни, весной 2013 года, первый продукт,  разработанный на ядре АСКОН  вне собственных подразделений  разработки, выходит на рынок.  Это ESPRIT Extra CAD — простой в использовании трехмерный моделировщик, встроенный непосредственно в популярную CAM-систему ESPRIT. Интерфейс системы можно увидеть на рисунке 1. Разработка выполнялась совместно компаниями ЛО ЦНИТИ и Rubius и будет анонсирована для международной общественности на конференции ESPRIT World Conference 2013 в г. Тампа, США.

Рис. 1 ESPRIT Extra CAD

 В конце  года лицензию на ядро приобрела  компания Базис-центр, которая  будет использовать наш компонент  в конструкторских модулях своей  мебельной САПР. Уже два этих  события говорят о том, что  компания АСКОН не зря решила  предоставить сторонним компаниям  доступ к своему геометрическому  ядру. Рынок действительно нуждался в новом игроке!

 Кстати, говоря о заказчиках C3D, не будем обходить вниманием и компанию АСКОН, которая в феврале выпустила КОМПАС-3D V14 (рис. 2) — 3D-САПР, построенную на новейшей, уже четырнадцатой, версии ядра C3D. Все текущие разработки АСКОН сегодня также базируются программном компоненте.

Рис. 2 КОМПАС-3D V14

C3D V14

 Новая  версия для нас особенная —  ведь это первый релиз продукта  после объявления о старте  лицензирования ядра внешним  разработчикам. Ранее все релизы  выходили только в составе  КОМПАС-3D. Это уже оказало влияние  на продукт: теперь в развитии  ядра мы опираемся на мнение  не только разработчиков КОМПАС-3D, но и на пожелания новых  клиентов. Начиная с V14 ядро имеет свою систему защиты и возможность покомпонентного лицензирования. В остальном же развитие идет так же, как и раньше — совершенствуются алгоритмы, расширяется функциональность, идет постоянная работа над скоростью и надежностью.

C3D Modeler

 Функциональные  возможности модуля:

моделирование тел;

моделирование поверхностей;

моделирование листовых тел;

триангуляция  геометрической модели;

вычисление  инерционных характеристик модели;

анализ столкновений элементов модели;

построение  плоских проекций и разрезов модели.

 В новой  версии доработана операция скругления: появилась возможность остановки скругления (рис. 3в) и остановки с площадкой (рис. 3г).

          Рис. 3а                                Рис. 3б                                  Рис. 3в                                  Рис. 3г

Исходная  ситуация     Было возможно ранее      Остановка скругления         Остановка с площадкой

 В операциях  Оболочка, Придание толщины и  Эквидистантная поверхность, имеющими  в своей основе общие алгоритмы,  появилась возможность обработки  вырождения коротких ребер и  поверхностей (граней). Для поверхностей  возможна обработка как явного (невозможность создания эквидистанты), так и неявного вырождения (поглощение  соседними гранями). Наглядно это  видно на рисунке 4.

   Рис. 4а Оболочка: было                                        Рис. 4б Оболочка: стало возможным

  Из крупных новинок также стоить отметить построение развертки линейчатого тела (на рис. 5 показан пример эллиптической обечайки).

Рис. 5 Эллиптическая  обечайка и ее развертка 

C3D Solver

 Сегодня  C3D Solver — это мощный решатель 2D-ограничений для 2D-черчения и эскизов в 3D, а также решатель 3D-ограничений для создания сборочных единиц и кинематического анализа.

 В новой  версии появилась возможность  диагностики переопределенных систем  ограничений. В КОМПАС-3D данная  функция реализована в виде  выделения оранжевым цветом «лишних»  ограничений (см. рис. 6).

Рис. 6 Переопределенный эскиз в КОМПАС-3D

 Доработана  параметризация NURBS-кривых: улучшилась  решаемость системы ограничений,  стало возможным множественное  касание NURBS с другими кривыми.  Особое внимание было уделено  концевым случаям — теперь  обеспечена гладкая стыковка  контуров с участием сплайнов (см. рис. 7).

Рис. 7 Параметризация NURBS

 Кроме  этого существенно доработаны  алгоритмы наложения ограничений  на эллипс и проекционную кривую, улучшена работа на крупномасштабных  чертежах.

C3D Converter

  На сегодняшний день модуль  поддерживает следующие форматы: 

STEP (чтение/запись);

Parasolid (чтение/запись);

ACIS (чтение/запись);

IGES (чтение/запись);

STL (запись);

VRML (запись).

 В V14 cущественно улучшена работа с импортированными поверхностями: теперь конвертер всегда распознает элементарные поверхности при импорте NURBS. Также для всех поддерживаемых форматов решена задача преобразования NURBS-поверхностей, описывающих цилиндры или конусы, непосредственно в цилиндры или конусы и задача объединения поверхностей вращения при импорте (например, из половинок цилиндра получаем один).