W przygotowaniu

nr 5-6(25-26) 2017
dostępny
po 29.12.2017

Wydanie aktualne

nr 3-4(23-24) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

Wydania archiwalne

nr 1-2(21-22) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

nr 1-2(19-20) 2015
dostępny w pdf, wydanie flash tuta

numer 1(18) 2014
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(17) 2013
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(16) 2012
dostępny
w archiwum, wydanie flash tutaj

numer 1(15) 2011
dostępny
w archiwum

numer 4(14) 2010
HD już dostępny
w archiwum

numer 3(13) 2010
HD już dostępny
w archiwum

numer 2(12) 2010
dostępny
w archiwum

numer 1(11) 2010 dostępny
w archiwum

numer 9(10) 2009
już dostępny
w archiwum

numer 8(9) 2009
już dostępny
w archiwum

Wydanie specjalne
numer 7(8) 2009
już dostępny
w archiwum

Numer 6(7) 2009
już dostępny
w archiwum

Numer 5(6) 2009
już dostępny
w archiwum

Numer 4(5) 2009
już dostępny
w archiwum

Numer 3(4) 2009
już dostępny
w archiwum

Numer 2(3) 2009
już dostępny
w archiwum


Numer 1(2) 2009
już dostępny
w archiwum
 

Obserwuj @CADblog_pl

Fragment artykułu z nr 2(3) maj 2009 (kompletne wydanie do pobrania z Archiwum)

Tytuł artykułu nie jest do końca precyzyjny. Gdy mówimy o modelowaniu bezpośrednim (inaczej swobodnym), nie wyklucza to jednoczesnej parametryczności powstającego modelu – przynajmniej
w pewnym zakresie jego budowy. Dlatego powinniśmy raczej odnieść się do modelowania opartego na drzewie historii operacji i porównać je z modelowaniem bezpośrednim. Ale czy warto w ogóle czynić takie porównania, skoro coraz częściej oferowane są możliwości łączące najlepsze cechy wspomnianych sposobów budowy geometrii modelu? Łączące parametryczność, bezpośredniość i zachowujące zarazem historię wykonywanych operacji? Czy będą one kolejnym kamieniem milowym w rozwoju systemów komputerowego wspomagania projektowania? Czy uwaga producentów oprogramowania skupi się znowu na narzędziach CAD, a rozwój systemów PLM i PDM, tak wyraźnie wysuwający się na pierwszy plan w ostatnich latach, przesunie się na dalsze miejsce?

OPRACOWANIE: Maciej Stanisławski

Pytań, jak widać – dużo. Ale zacznę od kilku słów wprowadzenia, w celu usystematyzowania pojęć, którymi postaram się posłużyć
w niniejszym opracowaniu (osoby znające temat proszę o wyrozumiałość, a także o uwagi – zachęcam do dyskusji nad przyszłością modelerów 3D). Spróbujmy zatem odpowiedzieć sobie na pytanie...

Czym właściwie jest modelowanie?
Najprościej mówiąc, jest to tworzenie geometrycznego modelu w systemie CAD 3D. W przypadku systemów 2D trafniej będzie mówić o szkicowaniu, ale w nich również – poprzez szkice właśnie (punkty, linie, krzywe, płaskie figury geometryczne etc.) budujemy model geometryczny.

Modelowanie skomplikowanych obiektów w przestrzeni jest możliwe dzięki kilku technikom, m.in. nadawaniu dwuwymiarowym przekrojom głębokości, poprzez przesuwanie przekrojów wzdłuż ścieżki (tj. odcinka, bądź krzywej); w niektórych programach możliwe są dodatkowe działania na przekrojach, np. obroty, skalowanie, czy nawet zmiana przekroju na poszczególnych odcinkach ścieżki. Korzystając w systemach 3D ze szkiców 2D, na ich podstawie możemy też tworzyć bryły obrotowe, powstające na skutek obrotu szkicu/przekroju wokół wyznaczonej osi. Niektóre systemy CAD (np. opisywany na naszych łamach BRL-CAD) do budowy modeli wykorzystują bryły (tzw. „primitives”), a następnie za pomocą operacji boolowskich (suma, różnica, iloczyn) dokonują ich przekształcenia*.

Wyróżniamy modele:
• krawędziowy (ang. wire frame) – model krawędziowy jest reprezentacją krawędziową lub szkieletową obiektu 3D ze świata rzeczywistego, zbudowaną
z punktów i linii. Modele krawędziowe są stosowane podczas tworzenia różnego rodzaju szkiców pomocniczych np. zanim zbudujemy określony typ bardziej zaawansowanego modelu, szkicujemy jego rzut na płaszczyźnie. Ich zastosowanie ograniczone jest niejednoznaczną interpretacją takich modeli; zaletą jest natomiast bardzo prosta struktura.

• powierzchniowy (ang. surface) – jest to obiekt utworzony przez siatkę (punkty, linie, powierzchnie. Wiele modeli siatkowych będzie wyglądało łudząco podobnie do modeli bryłowych, jednak istnieje wiele powodów, aby – jeśli mamy taką możliwość – stosować właśnie modele powierzchniowe we własnych projektach. Przemawia za nimi chociażby łatwość modyfikacji
i przekształcania powierzchni.

• bryłowy (ang. solid) – (punkty, linie, powierzchnie i... objętość). Jak wspomniałem, tworzone są z pełnych brył (tzw. prymitywów, jak: kostka, sfera, walec, stożek, torus) i wykonywanych na nich operacji Boole’a, lub też ze zdefiniowanej wcześniej powierzchni (na skutek obrotu rzeczonej powierzchni wokół osi – bryła obrotowa).

W niektórych opracowaniach możemy także spotkać się z rozróżnieniem na modele brzegowe (b-rep,
w których opis bryły ma postać zbioru ścianek (uciętych powierzchni), krawędzi i wierzchołków) i obiektowe (powstałe przez modelowanie złożonych części poprzez dodawanie kolejnych cech do części podstawowej – obiektów elementarnych, elementów modelujących, otworów, rowków, występów, zaokrągleń, kieszeni itp.).

Metody modelowania**
Jak wynika z powyższego, „(...) zdefiniowanie reprezentacji geometrycznej nie jest i nie musi być zadaniem trywialnym. Zwłaszcza, że nieustanny rozwój systemów CAD podsuwa coraz to nowe metody modelowania przestrzennego. Dwa modele przestrzenne wykonane w dwóch różnych systemach różnią się nie tylko formatem zapisu danych, ale głównie metodą, jaka została zastosowana w definicji geometrii i w związku z tym innymi możliwościami modyfikacji tej geometrii. Dlatego nie można odpowiedzialnie powiedzieć, że w każdym systemie CAD można zdefiniować model tej samej części lub zespołu części. Nawet, jeśli w dwóch systemach można uzyskać identyczny opis geometryczny, to jego struktura, czas projektowania, możliwość automatyzacji typowych zadań oraz – o czym często zapominamy – możliwość i czas realizacji nieuniknionych w procesie konstruowania zmian konstrukcyjnych...”, mogą się znacznie różnić.

„Historia rozwoju systemów CAD zna wiele metod definiowania modelu przestrzennego. Pierwszy z nich, w którym powierzchnia zewnętrzna części powstaje z połączenia szeregu dopasowanych do siebie płatów powierzchni można nazwać modelowaniem bezpośrednim (Direct Shape Modeling). Termin „modelowanie bezpośrednie” określa tu możliwość definiowania relatywnie prostych, mało skomplikowanych powierzchni cząstkowych, z których budowana jest całkowita powierzchnia zewnętrzna.

Inaczej mówiąc, powierzchnia jest „modelowana bezpośrednio”, gdy system CAD umożliwia bezpośredni dostęp do parametrów modelu matematycznego tej powierzchni, czyli stopnia powierzchni, warunków brzegowych i/lub wierzchołków sieci kontrolnej tej powierzchni. (...)

Kolejna metoda modelowania przestrzennego jest oparta na zastosowaniu parametrycznych cech konstrukcyjnych (features) i polega w zasadzie na zastosowaniu typowych kształtów opisanych dodatkowo przez parametry i opcje do wyboru. Krótko mówiąc konstruktor wybiera taką cechę konstrukcyjną, która spełnia jego wymagania, wskazuje wejściowe elementy geometryczne i ustala wartości parametrów numerycznych lub wymiarowych. Jeżeli w modelu powierzchniowym trzeba zdefiniować powierzchnię przejścia (ze stałym lub zmiennym promieniem) pomiędzy dwoma wskazanymi powierzchniami, to należy oczywiście wskazać te powierzchnie, ustalić wartość promienia i zdecydować, czy i jak wskazane powierzchnie mają być przycięte. Operacja odcięcia „niepotrzebnych” części powierzchni zostanie wykonana automatycznie. Jeżeli tworzymy model bryłowy korpusu, to wybór cechy konstrukcyjnej (na przykład otwór, żebro, lub kieszeń) oznacza nie tylko ustalenie parametrów geometrycznych tej cechy, ale także polaryzację geometrii. Jest przecież jasne, że model otworu powinien być odjęty, a model żebra dodany do modelu korpusu. Odpowiednie, bo wynikające ze specyfiki wybranej cechy konstrukcyjnej, operacje Boole’a są w systemach klasy Feature Based Modeling wykonywane automatycznie, a nie przez użytkownika, jak to ma miejsce w systemach modelowania bezpośredniego. Nie oznacza to jednak, że operacje Boole’a zdefiniowane przez użytkownika nie są wspomagane lub zalecane przez dostawców takich systemów. Przeciwnie, jeśli projekt jest bardziej skomplikowany (np.: korpus przekładni), to zaleca się podział funkcjonalny lub strukturalny modelu, potem definiowanie geometrii brył lub powierzchni cząstkowych i dalej zastosowanie operacji logicznych w celu połączenia tych komponentów w jedną, logicznie spójną całość. Definicja geometryczna jest więc w tych systemach jedynie częścią opisu cechy konstrukcyjnej, a końcowy kształt projektowanej części jest opisany przez uporządkowany ciąg operacji Boole’a zastosowanych do kolejnych cech konstrukcyjnych.

Model przestrzenny części jest w systemie klasy Feature Based Design przedstawiany na dwa sposoby: klasycznie jako bryła i/lub powierzchnia oraz umownie – jako drzewo strukturalne modelu. Struktura modelu to jednak nie tylko zestaw kolejno definiowanych cech konstrukcyjnych, ale także powiązania różnych elementów tego samego modelu lub powiązania z modelami innych części. Na przykład otwór korka spustu oleju w modelu korpusu przekładni może być powiązany z modelem korka, a ten z kolei może być powiązany
z modelem zawierającym definicje standardowych kształtów korka. Każdy obiekt zdefiniowany w modelu może być powiązany z dowolną liczbą obiektów nadrzędnych (rodziców) oraz podrzędnych (dzieci). Taka logiczna struktura powiązań ułatwia i wręcz umożliwia automatyczne „odświeżenie” modelu (Update) po każdej zmianie konstrukcyjnej. Co więcej, operacja Update nie oznacza ponownego przeliczenia całego modelu, ale (zazwyczaj) tylko tej cechy konstrukcyjnej, która została zmodyfikowana oraz wszystkich zależnych od niej cech podrzędnych.

Zastosowanie takiej metody projektowania przyspiesza proces definiowania modelu przestrzennego części, ale przede wszystkim radykalnie upraszcza wprowadzanie zmian konstrukcyjnych. Wystarczy przywołać procedurę definiowania wskazanej cechy konstrukcyjnej i zmienić wartość parametru lub zamienić dowolny z elementów wejściowych. Taka struktura systemu CAD jest podstawą każdego systemu parametrycznego, niezależnie od tego czy mówimy o modelowaniu bryłowym czy powierzchniowym. (...)” **

Parametryczność
Czym jest model parametryczny? Jest to model (krawędziowy, bryłowy, dowolny z wymienionych, także 2D), w którym użytkownik zdefiniował pewne określone cechy – zależności występujące między jego elementami geometrycznymi (odcinkami, łukami, ścianami etc.). Zależności te nazywamy inaczej więzami, a dzielimy je na:

• więzy geometryczne – czyli właśnie wspomniane relacje między elementami geometrycznymi, takie jak: prostopadłość, równoległość, styczność, łączność końców, równość długości;

• więzy wymiarowe – określone przez stałe wartości liczbowe lub zależności wynikające z użytych równań. Bywają zaliczane także do więzów geometrycznych;

• więzy części w zespołach – ustalane przez określenie stopni swobody danego elementu w odniesieniu do innych w obrębie zespołu modelu.

Parametryzacja umożliwia dwustronne powiązanie modelu geometrycznego z matematycznym, a w praktyce gwarantuje (powinna gwarantować) automatyczne dokonywanie zmian we wszystkich elementach związanych z detalem w danym momencie poddawanym przez nas modyfikacji. Oznacza to, iż zmieniając np. średnicę cylindra w projektowanym silniku, zmianie ulegną również otwory kanałów chłodzących, średnica komory spalania w głowicy, wymiary tłoka i pierścieni etc. Gdy pracujemy na modelu niesparametryzowanym, wszystkie zmiany musimy nanosić samodzielnie, pamiętając o konieczności ich dokonania. Trzeba zaznaczyć, iż w modelowaniu parametrycznym istotna jest kolejność definiowania określonych więzów; kolejne definiowane są bowiem na bazie poprzednich. Jak do tej pory, największą wadą systemów – modelerów – umożliwiających modelowanie bezpośrednie, była właśnie parametryczność...

Kolejny przełom?
Patrząc na historię rozwoju systemów CAD (w tym numerze niestety pominiętą), średnio co 10 lat możemy zaobserwować znaczące zmiany w technologii projektowania w 3D. Każda taka zmiana wywoływała diametralny wzrost wydajności i skracała czas projektowania. Rozwiązania typu Synchronous Technology (Siemens PLM Software), Fusion Technology (Autodesk), dodatkowe funkcjonalności implementowane do środowisk innych systemów CAD (Instant3D w SolidWorks, Live Shape w CATIA V6), czy też pojawienie się całkowicie nowych systemów CAD 3D, jak np. SpaceClaim – mogą być właśnie kolejnym milowym kamieniem w dziedzinie komputerowych rozwiązań inżynierskich. Ich możliwości stanowią bowiem połączenie wydajności i dokładności rozwiązań bazujących na historii poleceń, z łatwością modelowania i użytkowania podobną do tej dostępnej w modelerach bezpośrednich.

Faktem jest, że to właśnie systemy parametryczne, bądź bazujące na historii poleceń, zdominowały w minionych dekadach rynek systemów CAD, spychając modelery bezpośrednie gdzieś na rubieże zastosowań inżynierskich. Chociaż może z tymi „rubieżami” to przesada; łatwość modelowania w ich środowisku, szybkość działania wynikająca z uniezależnienia od parametryczności (w dużym stopniu) i od drzewek historii poleceń, zawsze stanowiły zalety modelowania bezpośredniego.

W ostatnich latach, gdy projektowane urządzenia osiągnęły bardzo wysoki stopień złożoności i komplikacji, coraz więcej dostawców oprogramowania dostrzegło, iż użytkownicy systemów zaczynają borykać się z ograniczeniami wynikającymi z konieczności przetwarzania coraz większej ilości informacji zawartych w zhierarchizowanych drzewach historii operacji. Każda modyfikacja najdrobniejszego elementu, powodująca przebudowę geometrii powiązanych z nim detali, oznaczała konieczność przetworzenia całego drzewa, a dokładniej – zmodyfikowania całej (!) geometrii modelu i ponownego przeliczenia wszystkich operacji, nierzadko także tych nie związanych z operacją edytowaną. Zasoby sprzętowe nie zawsze były wystarczające, a operacje zaczynały trwać coraz dłużej i nie ograniczały się jedynie do przysłowiowej „przerwy na kawę”. Rozwiązaniem tymczasowym było oczywiście zwiększanie możliwości stacji roboczych, częstotliwości procesorów, zasobów pamięci etc. Ale nie było to rozwiązanie... „inteligentne”. Należało poszukać czegoś innego, rewolucyjnego, którego wprowadzenie wywoła „zamieszania” na miarę tego z połowy lat 80. – jak wtedy, gdy PTC wprowadziło na rynek oprogramowanie Pro/E oferujące m.in. rewelacyjny interfejs użytkownika i zaawansowane możliwości modelowania 3D...

W 2005 roku na rynku pojawił się nowy gracz – SpaceClaim Corporation – oferujący obecnie dwa produkty: SpaceClaim Engineer i SpaceClaim Style, dedykowane dla odrębnych grup użytkowników, ale oba będące bezpośrednimi modelerami, dodatkowo – pozbawionymi wad poprzednich tego typu rozwiązań. Jednocześnie dostawcy „tradycyjnych” systemów, w których historia operacji odgrywa(ła) znaczącą rolę, rozpoczęli poszukiwania nowych możliwości. Możliwości wynikających z połączenia zalet modelerów bezpośrednich i parametrycznych. I w konsekwencji – łatwości i intuicyjności pracy w ich środowisku.

Strategia SpaceClaim Corporation zakłada dostarczenie użytkownikom łatwego i wydajnego narzędzia, wymagającego od inżynierów minimum czasu potrzebnego na opanowanie metod modelowania geometrii. I firma ta nie ma zamiaru konkurować bezpośrednio
z obecnymi od lat systemami o ugruntowanej pozycji, ale raczej – dostarczyć narzędzie dla tych, którzy nie korzystają w szerokim zakresie ze współczesnych systemów CAD. Wszyscy Ci inżynierowie i designerzy mają w tym momencie szansę włączyć się w proces tworzenia nowych projektów... Na ile przyjęta strategia okaże się słuszna – czas pokaże. W każdym razie na efekty działań podjętych przez SpaceClaim nie trzeba było długo czekać...

W odpowiedzi...
Siemens PLM Software wprowadził w swych nowych produktach technologię, przełamującą dotychczasowe bariery między systemami parametrycznymi i bezpośrednimi – Synchronous Technology jest już dostępna dla wszystkich, którzy zdecydują się na korzystanie z nowej wersji NX, SolidEdge, czy też pokrewnych im rozwiązań (NX CAM etc.). Autodesk zapowiada wprowadzenie Fusion Technology. SolidWorks podkreśla, iż oferuje już od jakiegoś czasu funkcjonalność Instant3D, która w pewnym stopniu pozwala na zniesienie ograniczeń związanych z tradycyjnie pojmowanym modelowaniem parametrycznym (jest to tzw. „direct editing”, która działa w określonych sytuacjach; cały czas natomiast tworzona jest historia edycji, która z każdą dokonywaną przez użytkownika zmianą wymaga przebudowy).
W środowisku CATIA V5 użytkownicy mieli możliwość modelowania bezpośredniego, ale tylko w odniesieniu do powierzchni (FreeStyle, Imagne and Shape). Dopiero wersja V6 oferuje rozwiązanie podobne do Synchronous Technology, pod nazwą CATIA Live Shape.

PTC – swego czasu „ostoja” oprogramowania parametrycznego – przejął niedawno CoCreate, wprowadzając do swojego portfolio CoCreate Modeling, czyli oprogramowanie CAD oferujące modelowanie bezpośrednie (...)

Pełny artykuł wraz z ilustracjami w numerze (w postaci plik pdf) do pobrania z Archiwum

Blog monitorowany przez: