Малыгин Александр Васильевич, старший преподаватель кафедры «Информационные технологии в машиностроении и инженерный консалтинг» Херсонского национального технического университета, г. Херсон, Украина.
Исследования в области проектирования сложных систем привели к формированию двух конкурирующих подходов: системного (целевого) и функционального (модульного). При использовании системного подхода процесс проектирования развивается от первоначально заданных нечетких целей к решениям путем последовательной детализации и уточнения исходных целей («сверху—вниз»). Функциональный подход базируется на противоположных представлениях об этом процессе и предполагает первоначальное создание функциональных модулей и их последующую сборку в систему («снизу —вверх»). В чистом виде каждый из этих подходов не реализуем, и практически дело сводится к комбинированному использованию этих подходов, при этом опыт и интуиция часто имеют решающее значение.
Рис. 1. Блочно-иерархический подход к проектированию
Проектирование – творческий процесс, связанный с выработкой и реализацией новых инженерных идей. На современном предприятии в процессах проектирования участвуют коллективы высококвалифицированных инженеров разной специализации, в связи с чем актуальной является задача организации и управления их совместной работой.
Конструкторское проектирование «снизу-вверх» полностью соответствует реальному производственному процессу сборки. Т.е., предварительно требуется создать модели деталей (причем модели могут создаваться независимо), а затем можно объединить их в единую конструкцию путем наложения ограничений на пространственное положение объектов. Однако, выполнить проектирование по данному подходу практически невозможно, т.к. на начальной стадии проектировщикам не известны пространственное положение, сопряжения и полный состав деталей сборки. Одним из неприятных для конструктора следствий этого метода проектирования является то, что после окончательной сборки выясняется, что модели деталей, будучи спроектированными независимо друг от друга, могут входить в сборку некорректно, например, они могут пересекаться друг с другом. Естественно, коллизии должны затем исправляться, но это требует ручной корректировки каждой модели, входящей в некорректную сборку. С увеличением размера сборки исправления могут отнимать все больше и больше времени. Вторая проблема состоит в том, что, если параметры моделей зависят друг от друга, но их взаимосвязи не заданы, то внесение изменений в конструкцию становится трудоемким делом. Конструктор вынужден изменять параметры каждой детали по отдельности, а затем проверять сборку на пересечение компонентов, механизм – на работоспособность и т.д. Наличие большого количества перекрестных ссылок затрудняет проведение конструктивных изменений в ходе проработки различных вариантов конструкции изделия.
Проектирование «сверху-вниз» с точки зрения процесса конструирования — идеологически более правильный подход, т.к. модели всех деталей разрабатываются в контексте одной сборки, т.е. на основе геометрических элементов других деталей (проще говоря, привязываются к их граням, рёбрам или вершинам). В соответствии с данным методом, первоначально создаваемая сборка является исходной информацией для выполнения последующей деталировки. Нисходящее проектирование предполагает, что группа инженеров начинает работать над проектом на высоком уровне абстракции и последовательно детализирует проектную документацию. Основной задачей руководителя в этом случае является определение оптимального концептуального решения, выбор функциональных алгоритмов проектирования, а также выбор наиболее эффективных средств проектирования. При таком подходе вначале определяются основные параметры изделия и производится его схематическая проработка (компоновка). Последующая разработка компонентов изделия опирается на геометрические построения и ограничения, выполненные на первом этапе. Причем, получая из компоновки необходимую и достаточную информацию для проектирования компонентов, все исполнители могут работать над ними одновременно. Кроме того, методика «сверху-вниз» сокращает количество ошибок, связанных с увязкой компонентов в изделии, и обеспечивает легкость внесения изменений в проект на любой стадии готовности. Вместе с тем, методология нисходящего проектирования позволяет достаточно эффективно выстроить систему информационного управления сквозным процессом конструкторско-технологической подготовки производства изделий. Применение нисходящего проектирования эффективно в том случае, когда нужно контролировать изменения взаимосвязанных параметров в различных компонентах сборки, и эта методология позволяет эффективно распараллелить работу между участниками процесса. Ключевое преимущество метода заключается в том, что, фиксируя всю концептуальную информацию в одном источнике, существенно облегчается ее изменение в случае необходимости. Отметим еще один немаловажный факт: так как на эту информацию ссылаются проектируемые компоненты, то после изменения концептуальной модели система автоматически изменит компоненты, которые имеют ссылки на эту модель.
На практике часто используют оба подхода, поскольку они взаимосвязаны вследствие итерационного характера проектирования, что позволяет устранить недостатки как нисходящего проектирования, например, появление требований, впоследствии оказывающихся нереализуемыми, так и восходящего, при котором возможно получение объекта, не соответствующего заданным требованиям.
Анализ возможностей широко используемых систем автоматизированного проектирования (САПР) показал, что нисходящее проектирование 3D-моделей сборок выполняется, как правило, на основе предварительно разработанного эскиза сборки, с последующим созданием моделей деталей в контексте сборки. Проектирование выполняется средствами системы, либо требуется подключение дополнительных модулей. Нисходящее проектирование, выполняемое по такому методу, практически пригодно только для сборок, в состав которых входит небольшое количество деталей. С увеличением сложности проектируемых изделий модель сборки становится трудно управляемой, требуется на каждом рабочем месте проектировщика использовать более мощные и производительные технические средства САПР, увеличиваются капитальные затраты, снижается производительность и качество создаваемых проектов.
В последних версиях САПР КОМПАС-3D компания АСКОН предложила новый подход и инструменты нисходящего проектирования, которые методически упорядочивают процесс проектирования, создают возможность коллективной работы над проектами, снижают материальные затраты и повышают качество проектирования.
КОМПАС-3D позволяет вести нисходящее проектирование по двум методикам:
- методика проектирования «сверху-вниз» с предварительной компоновкой
- методика проектирования «сверху-вниз» с преобразованием тел в компоненты.
Рис. 2. Методы нисходящего проектирования в КОМПАС-3D
Проектирование «сверху-вниз» с предварительной компоновкой представляется в виде следующей последовательности шагов:
| Шаг | Описание | Комментарий |
| 1.Подготовка компоновочной геометрии | создается файл детали или сборки, в котором строится компоновочная геометрия разрабатываемой сборки | при необходимости для основных узлов сборки создаются коллекции геометрических объектов |
| 2.Создание сборки и вставка компоновочной геометрии | создается файл разрабатываемой сборки в сборку вставляется ранее подготовленная компоновочная геометрия | вставленная компоновочная геометрия впоследствии используется для контроля разработки сборки |
| 3.Контекстное создание компонентов | в контексте сборки создаются компоненты | по завершению создания компонентов модель сборки может быть закрыта |
| 4.Разработка компонентов | каждый из компонентов открывается в отдельном окне в компонент вставляется компоновочная геометрия либо копируются ее отдельные объекты разрабатывается геометрия компонента (если компонент подсборка, то в ее контексте, в свою очередь, повторяются действия шага 3) |
Проектирование «сверху-вниз» с преобразованием тел в компоненты представляется в виде следующей последовательности шагов:
| Шаг | Описание | Комментарий |
| 1.Подготовка компоновочной геометрии | создается файл детали или сборки, в котором строится компоновочная геометрия разрабатываемой сборки | |
| 2.Создание сборки и вставка компоновочной геометрии | создается файл разрабатываемой сборки в сборку вставляется ранее подготовленная компоновочная геометрия | |
| 3.Построение тел в сборке | в сборке на объектах компоновочной геометрии создаются тела будущих деталей | в компоновочной геометрии создаются объекты (плоскости, поверхности и т.д.) тела, которые будут входить в разные детали, не должны объединяться операциями построения |
| 4.Преобразование тел в детали | тела в Дереве модели последовательно преобразуются в детали с помощью команды «Создать деталь» |
В КОМПАС-3D для реализации проектирования «сверху-вниз» предназначены:
- инструменты работы с компоновочной геометрией
- инструменты формирования коллекций
- инструменты копирования объектов из компоновочной геометрии.
Компоновочная геометрия
Следуя методике нисходящего проектирования, на первом этапе работы над проектом разрабатывают компоновочную геометрию.
Компоновочная геометрия представляет собой файл сборки, который создается с помощью простых геометрических объектов: точек, отрезков, окружностей, плоскостей и т.п., которые не нагружают файл информационно, уменьшают его в размерах (50-100 Кбайт). Компоновочная геометрия разрабатывается с целью показать: основные элементы (точки, линии, плоскости) расположения и привязки деталей в сборке, а также основные формообразующие элементы для создания 3D-моделей деталей.
Рис. 3. Пример компоновочной геометрии сборки Муфта
Файл компоновочной геометрии должен разрабатываться ведущим конструктором либо руководителем группы проектировщиков, имеющим опыт концептуального проектирования.
Для создания файла компоновочной геометрии необходимо выполнить следующее:
- создать файл сборки
- использовать операцию КОМПАС-3D «Создать компоновочную геометрию»
Рис. 4. Создание компоновочной геометрии в КОМПАС-3D
- в диалоговом окне выбрать тип и имя создаваемого компонента.
Рис. 5. Окно выбора типа создаваемого компонента компоновочной геометрии
Чтобы использовать этот файл в качестве компоновки для изделия либо для создания 3D-моделей деталей, его необходимо вставить с помощью специальной команды КОМПАС-3D «Добавить из файла компоновочную геометрию».
Рис. 6. Вставка компоновочной геометрии в проектируемые файлы
Несмотря на то, что компоновочная геометрия вставляется в файл сборки или детали, она не участвует в создании спецификации и построении чертежей.
Коллекции
Разработка компоновочной геометрии сопровождается распределением работы между проектировщиками сборки. Для этой цели в КОМПАС-3D предлагается использовать создание коллекций.
Коллекция – это именованное объединение элементов компоновочной геометрии (точек, линий, осей, плоскостей и т.п.) для дальнейшего быстрого распределения работ между проектировщиками. Например, коллекция может иметь имя «Муфта левая» либо «Конструктору Иванову И.И.». Для создания коллекции в КОМПАС-3D используют следующий инструмент.
Рис. 7. Инструменты создания коллекции в КОМПАС-3D
Проектирование на основе компоновочной геометрии с использованием коллекций значительно повышает скорость и качество разработки отдельных проектировщиков. Например, проектировщик Иванов И.И. может не тратить время на анализ назначения всех объектов компоновочной геометрии. Достаточно вставить назначенную ему коллекцию и приступить к проектированию.
Копирование объектов
Когда проектировщик приступает к созданию заданной 3D-модели детали, то используется инструмент «Копирование объектов».
Рис. 8. инструмент «Копирование объектов»
При копировании выбирается файл компоновочной геометрии (открывается в дополнительном окне), из которого выбирается состав объектов (точек, линий, поверхностей и т.п.), которые определяют положение детали в сборке и используются для выполнения формообразования. Быстрее для этой цели использовать коллекции, в результате будет выбран и вставлен сразу весь состав требуемых объектов.
При копировании между исходными объектами компоновочной геометрии и их копиями образуется ассоциативная связь, при изменении исходного объекта все изменения передаются в копии. Происходит автоматическое преобразование объектов проектирования при изменении компоновочной геометрии.
Выводы:
- В новых версиях КОМПАС-3D компания АСКОН уделяет огромное внимание как разработке нового функционала, так и эффективным методикам проектирования сборок с предоставлением возможностей коллективной разработки проектов.
- Методика проектирования «сверху-вниз», реализованная в КОМПАС-3D, проста и не требует специальной подготовки.
- Инструменты КОМПАС-3D предоставляют возможность вести коллективное нисходящее проектирование с распределением работ, используя при создании общей сборки весь потенциал группы инженеров.
- Файлы компоновочной геометрии, сборки и моделей деталей, используемые при проектировании, имеют небольшой размер (в среднем 30-200 кбайт). Не требуется увеличение мощности технических средств САПР.
- Использование методики проектирования «сверху-вниз» позволяет сократить количество ошибок, связанных с увязкой компонентов в изделии, и обеспечивает легкость внесения частных изменений в проект на любой стадии готовности.
- Удобство в работе с системой, простота использования инструментов, повышение производительности и эффективности коллективной работы сотрудников над проектами — главные преимущества, предоставляемые инженерам в КОМПАС-3D.
Литература
Хорошев А.Н. Введение в управление проектированием механических систем / Учебное пособие. – Белгород, 1999. – 372 с.
спасибо!