О создании справочников 3D-моделей компонентов изделий на примере CAD-системы Creo Parametric и PLM-системы Windchill

Д.Б. Козырев,
зам. нач. отд., kozirev@vniia.ru,
Е.М. Абакумов,
нач. отд., к.т.н., abakumov@vniia.ru,
ФГУП «ВНИИА», г. Москва

В докладе рассмотрены вопросы создания справочников 3D-моделей компонентов изделий на примерах справочников стандартных изделий, электрорадиоизделий, прочих и унифицированных изделий. Предложены некоторые методы создания 3D-моделей справочников в условиях создания электронной документации. Показана необходимость создания бизнес-процессов создания и ведения справочников.

The report examines questions of creating directories of 3D-models of the components of the products in the examples directories of standard products, electrical and other standardized products. Proposed some methods of creation of 3D-models of directories in terms of creating an electronic documentation. Need of creation of business processes of creation and maintaining directories is shown.

Введение

Разработку конструкций изделий в современных условиях невозможно вести без использования справочных данных организованных в виде справочников различных видов. Информационное обеспечение систем проектирования и, особенно, систем сквозного проектирования должно включать как номенклатурные справочники материалов и сортаментов, так и справочники 3D-моделей стандартных, прочих и унифицированных изделий.

Вопросы создания и ведения номенклатурных справочников успешно решены на многих предприятиях, чего нельзя сказать о справочниках 3D-моделей. Это связано с тем, что 3D-модели должны быть построены с учетом особенностей их использования в системе автоматизированного проектирования (CAD, САПР) механики, в системе управления инженерными данными (PDM-система) и взаимодействия со смежными системами, например: САПР радиоэлектронной аппаратуры, системой подготовки иллюстраций. Естественно, справочники 3D-моделей должны быть связаны с номенклатурными справочниками.

Организационное обеспечение играет важную роль при создании и ведении справочников 3D-моделей и может иметь централизованную или распределенную структуру с соответствующими преимуществами и недостатками. Совместное использование бумажной и электронной конструкторской документации усложняет процесс создания и ведения справочников 3D-моделей, так как отличаются способы создания документации и требования к справочникам.

1. Особенности построения 3D-моделей для справочников

В работах, посвященных внедрению и использованию САПР и PDM-систем, не рассматриваются подробно вопросы создания справочников 3D-моделей компонентов изделий, учитывающие особенности создания электронных конструкторских документов.

В [1] отмечается, что внедрение PDM/PLM-систем сопровождается решением огромного числа различных задач, связанных, в том числе с разработкой новых методик и технологий ведения проектно-конструкторских работ и с реинжинирингом бизнес-процессов предприятия. Также в [1] говорится о создании единой системы нормативно-справочной информации, включающей электронные справочники стандартных и унифицированных изделий, а также библиотеки габаритных моделей приборов и агрегатов смежных предприятий и собственной разработки. Эти задачи следует распространить на необходимость разработки методики и организации бизнес-процессов создания 3D-моделей и ведения справочников 3D-моделей при взаимодействии с PDM-системой, обеспечить взаимодействие с отделами стандартизации и технической документации предприятия при создании и ведении справочников.

В работе [2] предлагается трехмерные габаритные модели (ГМ) приборов, агрегатов, систем создавать разработчикам в виде одной детали. Исключение делается только для подвижных или съемных частей прибора или агрегата. С данным положением можно согласиться, но кто будет создавать ГМ, если прибор был разработан ранее, да еще и в бумажной форме? Необходимо создание методики ввода в обращение и придания статуса ГМ при существующем подлиннике конструкторской документации прибора в электронном виде и аналогичную методику для подлинников, созданных в бумажной форме. Относительно 3D-моделей разъемов в [2] предлагается показывать их максимально упрощенно, сохранив при этом их внешний узнаваемый облик и реальные габариты. Также предлагается на каждый разъем добавить Присоединительную точку в месте подстыковки кабеля и Контрольную точку в месте расположения ключа. Предлагаемое положение верно лишь для цели представления разъема в большой сборке. Но если 3D-модель разъема будет использована для более широкого круга задач, то модель необходимо строить более подробно и использовать Присоединительные точки для каждого проводника кабеля. Более подробно методы построения разъемов (соединителей) будут предложены в п. 1.4.

При выполнении работы [3] были созданы библиотеки параметрических моделей стандартных и типовых элементов деформирующей и контрольно-измерительной оснастки. Следует отметить, что работа [3] направлена на выпуск чертежей и спецификаций, поэтому вопросы использования справочников 3D-моделей при создании комплектов электронной документации не рассмотрены.

В работе [4] была создана графическая библиотека элементов электрических соединителей, представляющая собой совокупность параметрических твердотельных моделей деталей электрических соединителей, сборочных моделей и чертежей моделей. Работа [4] как и [3] направлена на выпуск чертежей и спецификаций, поэтому вопросы использования справочников 3D-моделей при создании комплектов электронной документации не рассмотрены.

Справочники 3D-моделей в соответствии с особенностями создания и ведения в общем случае следует разделить на следующие виды: справочник стандартных изделий, справочник электрорадиоизделий (ЭРИ), справочник прочих изделий и справочник унифицированных изделий.

1.1. Справочник стандартных изделий

3D-модели справочника стандартных изделий строят на основании нормативных документов (ГОСТ, ОСТ). Модели могут иметь некоторые упрощения, например, шлиц под инструмент строят упрощенно. Кроме содержательной геометрической информации модель содержит реквизитную информацию: наименование и раздел спецификации, а также дополнительные служебные реквизиты. Стандартные изделия одного стандарта, как правило, имеют большое количество экземпляров, обусловленное наличием исполнений, различных диаметров, длин, материалов, покрытий и их возможными комбинациями. Для ускорения создания справочника, 3D-модели стандартных изделий строят с использованием базовых моделей (моделей прототипов), содержащих параметрические размеры управляемые таблицей семейства (таблица значений параметров). На рисунке 1 представлен пример базовой модели болта.

рис. 1 Пример базовой модели болта

Чтобы упростить заполнение и уменьшить размер таблицы семейства рекомендуется делать её одноуровневой, без вложенных таблиц. Для этого создают несколько базовых моделей для выбранной основной характеристики компонента справочника, например, размер резьбы или исполнение, и создают несколько соответствующих таблиц. На рисунке 2 представлен фрагмент справочника в PDM-системе Windchill, содержащий базовые модели болтов, созданных для каждого размера и шага резьбы. Экземпляры болтов становятся доступными при использовании в CAD-системе Creo Parametric базовых моделей.

рис. 2 Фрагмент справочника, содержащий базовые модели болтов

На рисунке 3 представлен фрагмент таблицы семейства для болтов с резьбой М8 всех исполнений, марок материала, покрытий и длин, предусмотренных ОСТ 95 1435-73.

Для каждого экземпляра стандартного изделия создают учётную карточку в PDM-системе, связанную с 3D-моделью, чтобы в электронную структуру изделия автоматически включались стандартные изделия.

рис. 3 Фрагмент таблицы семейства

1.2. Справочник ЭРИ

Справочник 3D-моделей ЭРИ должен строиться с учетом связи с САПР радиоэлектронной аппаратуры (САПР РЭА). Интеграция САПР РЭА с САПР механики позволяет получить модель платы с установленными ЭРИ. При этом ЭРИ могут быть представлены как габаритными параллелепипедами, так и 3D-моделями. На рисунке 4 представлены два варианта изображения модели платы с установленными ЭРИ.

рис. 4 Модель платы с установленными ЭРИ

Интеграция САПР РЭА с PDM-системой обеспечивает автоматическое создание электронной структуры изделия. Конечно, оба вида интеграции выполнимы только при соответствующей настройке систем и внутреннего справочника ЭРИ в САПР РЭА. Рассмотрение вопросов интеграции выходит за рамки данной работы.

3D-модели ЭРИ можно строить, используя два подхода. Первый подход заключается в том, что 3D-модели строят в соответствии с корпусами ЭРИ с учетом формовки выводов, как представлено на рисунке 5. Второй подход предполагает создание 3D-модели на каждый экземпляр ЭРИ. Очевидно, что при первом подходе количество создаваемых 3D-моделей будет значительно меньше, чем при втором подходе.

рис. 5 3D-модели ЭРИ

Использование любого из двух подходов требует согласования с внутренним справочником ЭРИ в САПР РЭА. Поэтому приведем основные условия согласования для 3D-моделей выполненных в соответствии с первым подходом: одному посадочному месту соответствует одна 3D-модель, то есть на каждый вариант формовки создается отдельное посадочное место, даже если варианты не отличаются по габаритам и расположению контактов; имя файла модели полностью совпадает с именем посадочного места; модели не связываются с учётными карточками в PDM-системе. В любом случае 3D-модели следует максимально упрощать, так как ЭРИ на платах устанавливаются в больших количествах.

1.3. Справочник прочих изделий

Справочник 3D-моделей прочих изделий (покупных) с одной стороны аналогичен справочнику стандартных изделий, только вместо нормативной документации имеется документация производителя изделий. С другой стороны – документация производителя не является полной, особенно на изделия, являющиеся сборочными единицами.

Следовательно, метод создания 3D-моделей прочих изделий, являющихся отдельными деталями и имеющими ряд типоразмеров, должен быть аналогичен методу создания стандартных изделий. В случае только отдельных деталей создают независимые 3D-модели.

Если в справочник требуется добавить прочее изделие, являющееся сборочной единицей, то 3D-модель изделия может быть построена как одна деталь, представляющая собой сборочную единицу, несколькими деталями или полностью повторять состав изделия. Всё зависит от требуемого уровня детализации и использования прочего изделия в составе оригинального изделия. Например, в оригинальном изделии может быть использована только часть прочего изделия. На чертеже может потребоваться создать разрезы, показать составные части, сделать разнесенное изображение, выполнить штриховку и др.

На рисунке 6 представлена 3D-модель компонента справочника ОС РС19АТВ «Вилка». 3D-модель выполнена в виде одной детали, так как компонент является неразборным и в технических условиях отсутствует деталировка.

рис. 6 3D-модель ОС РС19АТВ «Вилка»

3D-модели справочника прочих изделий могут создаваться с разной степенью детализации геометрической формы и состава прочих изделий. Следует иметь в виду, что на одно любое изделие может быть создано несколько 3D-моделей в справочнике с разным информационным содержанием. Некоторые аспекты создания 3D-моделей в зависимости от целей использования приведены в [5]. 3D-модели справочника должны быть связаны с учётными карточками в PDM-системе.

1.4. Справочник унифицированных изделий

Унифицированным изделием будем считать изделие, применяемое в конструкторской документации нескольких изделий. Характерными представителями унифицированных изделий можно считать соединители, состоящие из розеток и вилок.

Методы построения 3D-моделей розеток и вилок определяются условиями использования 3D-моделей. Минимальным требованием к 3D-моделям является соответствие внешней геометрической формы с некоторыми упрощениями относительно конструкторской документации, при этом 3D-модель сборочной единицы может быть представлена 3D-моделью объединяющей детали. Максимальным требованием является полное соответствие 3D-модели конструкторской документации с детализацией на уровне деталей.

Если предполагается использовать 3D-модели розеток и вилок для моделирования кабельной разводки с учетом соединения проводами каждого контакта, то штыри вилки и гнезда розеток должны иметь системы координат, определяющие места и направления присоединения проводов.

Автоматизированное создание сборочных процессов изделий предполагает создание 3D-модели со структурой, позволяющей проводить виртуальные разборку и сборку розеток и вилок с установкой в корпус изделия.

При создании 3D-моделей справочника унифицированных изделий следует учитывать потенциально возможные варианты использования моделей и выбирать оптимальный вариант построения, обладающий минимальной трудоемкостью и соответствующий требуемой функциональности. При этом необходимо упрощать 3D-модели деталей, находящихся внутри соединителей.

На рисунке 7 представлен компонент библиотеки «Вилка» в двух исполнениях. Всего этот компонент имеет 42 исполнения, которые отличаются количеством штырей, размерами, комплектацией, входящими деталями.

рис. 7 3D-модели «Вилка» в двух исполнениях

Для ускорения определения месторасположения штырей и присоединения проводов используется мастер-геометрия, состоящая из набора точек и систем координат. На рисунке 8 представлено изображение мастер-геометрии для двух вариантов расположения штырей.

рис. 8 Мастер-геометрия

Чтобы управлять мастер-геометрией для разных исполнений «Вилки» используется таблица семейства, так как «Вилка» имеет несколько вариантов расположения штырей. Следует обратить внимание, что в обозначении и имени файла мастер-геометрии используется код документа «МГ». Вопрос необходимости введения новых видов документов должен решаться в нормативных документах предприятия.

Поскольку все исполнения «Вилки» однотипны, то 3D-модель целесообразно строить на основе базовой модели и таблицы семейства. Следует отметить, что 3D-модели деталей, входящие в состав «Вилки», тоже построены на основе своих базовых моделей и таблиц семейств. Таким образом, создается зависимость конечной 3D-модели справочника от мастер-геометрии и нескольких таблиц семейств.

При построении 3D-моделей деталей, составляющих изделие, следует учитывать их деформацию в процессе сборки. Поэтому 3D-модели деталей необходимо строить в состоянии после сборки. Например, отверстие в резиновой прокладке при надевании на штырь увеличится в диаметре до диаметра штыря.

В случае неразборного соединения, например, заливки компаундом, соединение желательно строить в виде одной детали. Это позволит избежать ошибки при разработке технологического процесса сборки.

Возможны случаи, когда какой-либо компонент справочника с исполнениями построен без использования базовой модели. Это связано с тем, что в исполнениях может иметься много разных оригинальных деталей. Однако, расположение гнезд во всех исполнениях одинаково, поэтому для задания расположения гнезд и присоединения проводов используется мастер-геометрия.

3D-модели компонентов справочника и входящие в них детали должны быть связаны с учётными карточками в PDM-системе Windchill, чтобы обеспечить возможность создания автоматизированной разработки сборочных процессов изделий.

2. Некоторые аспекты организационного обеспечения

Работа сотрудников предприятия в системе сквозного проектирования неразрывно связана с работой в PDM-системе, являющейся основным компонентом системы сквозного проектирования. Работа в PDM-системе технически невозможна и методически неправильна без использования справочников 3D-моделей. Желательно, чтобы справочники 3D-моделей были связаны с номенклатурным справочником, являющимся одновременно ограничительным перечнем предприятия. Связь заключается в том, чтобы экземплярам справочника 3D-моделей передавалась информация о разрешении их применения в изделиях.

3D-модели для справочников удобнее создавать группами, например, сразу для всего или части ОСТ или ГОСТ. Количество создаваемых экземпляров определяется удобством создания 3D-моделей, а не ограничительным перечнем. Проще сразу создать лишние 3D-модели, чем потом повторно разбираться в особенностях создания новых экземпляров и выискивать необходимую информацию в нормативных документах. Поэтому, после создания 3D-моделей их необходимо сопоставить с ограничительным перечнем.

Чтобы появились справочники 3D-моделей необходимо решить, кто их будет создавать. В эпоху работы на автономных рабочих местах каждый специалист или группа специалистов создавали для себя локальные справочники необходимых только им 3D-моделей в соответствии со своими представлениями о полноте содержательной и реквизитной частях. В настоящее время, 3D-модели должны соответствовать некоторому минимуму требований, иметь определенный набор реквизитов, должны быть специальным образом размещены в PDM-системе и связаны с учетными карточками, которые тоже должны быть созданы.

Очевидно, что справочники 3D-моделей, необходимые широкому кругу пользователей, должны создаваться централизованно. 3D-модели, используемые небольшими группами пользователей, могут создаваться самими пользователями. 3D-модели особого использования, как было показано на примере соединителей, с большой долей вероятности, должны создаваться централизованно.

Создание компонента справочника – это не только создание 3D-модели, а целый комплекс работ, задействующий нескольких специалистов, который должен управляться процессом. Ведение справочников не менее важный вопрос, чем создание справочников. Для этого требуется создание отдельного процесса.

Заключение

Создание справочников 3D-моделей является важной задачей, особенно при внедрении системы сквозного проектирования, направленной, в том числе, и на создание подлинников электронных документов. Чтобы создать справочник необходимо провести ряд действий, а не только построить 3D-модели. Справочники 3D-моделей стандартных изделий, ЭРИ, прочих изделий и унифицированных изделий имеют определенные особенности. 3D-модели должны создаваться с учетом их возможного использования в смежных системах. При создании 3D-моделей, при возможности, используются различные методы, позволяющие создавать управляемые группы 3D-моделей.

Вопросы организационного обеспечения создания и ведения справочников должны быть решены созданием соответствующих процессов, которые должны объединять всех необходимых специалистов предприятия. Также необходимо внесение дополнений в нормативные документы предприятия.

Литература

1. Филатов А.Н. Разработка методов и моделей параллельного нисходящего проектирования ракетно-космической техники в едином информационном пространстве предприятия [Текст]: дисс. … канд. техн. наук. / Филатов Александр Николаевич. – Самара, 2014. – 163 с.

2. Космодемьянский Е.В. Разработка технологии информационной поддержки проектирования и конструкторской подготовки производства космических аппаратов дистанционного зондирования земли [Текст]: дисс. … канд. техн. наук. / Космодемьянский Евгений Владимирович. – Самара, 2014. – 180 с.

3. Денисов С.Ю. Комплексная САПР оснастки для получения заготовок (на примере лопаток ГТД) [Текст]: дисс. … канд. техн. наук. / Денисов Сергей Юрьевич – УФА, 2009. – 225 с.

4. Сафонов А.Л. Автоматизация проектирования электрических соединителей на основе формализации и типизации проектных процедур [Текст]: дисс. … канд. техн. наук. / Сафонов Александр Леонидович – Брянск, 2010. – 219 с.

5. Козырев Д.Б. Типизация 3D-моделей деталей в соответствии с целями использования моделей [Электронный ресурс] / Д. Б. Козырев, Е. М. Абакумов // Информационные технологии и системы: тр. Четвертой Междунар. науч. конф., Банное, Россия, 25 февр. – 1 марта 2015 г. (ИТиС – 2015): науч. электрон. изд. (1 файл 8,9 Мб) / отв. ред. Ю. С. Попков, А. В. Мельников. Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2015. 1 опт. диск. – С. 144-147.