Modelowanie parametryczne: opisy, metody, przegląd oprogramowania

Modelowanie parametryczne (PM) wykorzystuje narzędzia projektowe oparte na blokach konstrukcyjnych. Pozwala on na definiowanie całych klas kształtów, a nie tylko poszczególnych części. Zanim pojawiła się ta technologia, edycja formularza była skomplikowanym zadaniem. Na przykład, aby zmodyfikować trójwymiarowe ciało, projektant musiał zmienić długość, szerokość i wysokość. Dzięki technologii PM projektant musi zmienić tylko jedną cechę, pozostałe dwie są ustawiane automatycznie.

Historia komputerowego wspomagania projektowania

Kamieniem milowym w historii komputerowego wspomagania projektowania (CAD) było wprowadzenie w 1987 roku programu Pro/ENGINEER, obecnie PTC Creo, który wprowadził modelowanie parametryczne do branży CAD. Od tego czasu paradygmat ten jest stosowany w prawie wszystkich głównych programach do projektowania, w tym SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX i Onshape.

Projektowanie PM jest wykonywane przez inżynierów budujących trójwymiarową geometrię kawałek po kawałku. Szkice 2D są przekształcane w obiekty 3D, z ograniczeniami projektowymi i tolerancjami odpowiednio realizowanymi zgodnie z planem projektu. Ponieważ każdy krok wynika z poprzednich, konieczny jest szczegółowy szkic wstępny.

Pomimo potęgi i popularności modelowania RM, inny paradygmat bezpośredniego modelowania CAD również ma swoich zwolenników. Niektóre nowoczesne systemy CAD wykorzystuje modelowanie bezpośrednie, a nie parametryczne oparte na historii, ale istnieją również systemy, które zapewniają połączenie obu tych metod.

Paradygmat projektowania i terminologia

Projektowanie parametryczne rozpoczyna się od szkicu i wykorzystuje różne funkcje matematyczne do uzyskania efektu końcowego. Paradygmat projektowania, którego pionierem jest Pro / ENGINEER, jest nazywany "opartym na historii", ponieważ liniowy charakter modelu krok po kroku odróżnia go od bezpośredniego modelowania parametrycznego, które jest nazywane "bez historii".

Oprogramowanie zapamiętuje funkcje w kolejności, a model wykonuje je krok po kroku. Użytkownicy często błędnie uważają, że tylko oprogramowanie oparte na historii jest parametryczne. W rzeczywistości obejmuje on wszystkie modele z danymi, w tym wymiary, próbki, grubość ściany, średnice, głębokości otworów itp. Dzięki podejściu parametrycznemu inżynierowie mogą szybko i łatwo tworzyć różne konfiguracje projektowe.

Obecnie rozwijane jest zarówno modelowanie parametryczne, jak i jakościowe. Kwalifikometria to dyscyplina naukowa zajmująca się metodami ilościowego określania jakości modeli. Jest to teoria opracowana w byłym ZSRR przez G. Azgaldowa, jest wykorzystywany dzisiaj przy opracowywaniu rosyjskich norm, m.in. dotyczących metalurgii i obróbki skrawaniem.

Najwięcej oprogramowanie CAD pozwala na realizację projektów jakościowych. Przed dokonaniem wyboru projektant musi przeanalizować dane liczbowe:

1. Wielkość konstrukcji.
2. Liczba deweloperów zaangażowanych w projekt.
3. Mobilność modelu.
4. Typ pliku ustawiony przez klienta.

Proces modelowania parametrycznego

Modele są zbudowane z zestawu wzorów matematycznych i aby miały legitymację, muszą być oparte na prawdziwych informacjach o produkcie. Doskonałość metod weryfikacji i kompletność informacji o produkcie decyduje o rentowności rozwiązania.

Istnieją dwa popularne modele PM:

1. Constructive Solid Geometry (CSG) - definiuje model w kategoriach połączenia podstawowych i wygenerowanych kształtów fizycznych. Wykorzystuje operacje logiczne do konstruowania modelu. Połączenie trójwymiarowych form elementarnych, takich jak walec, stożek, graniastosłup, prostokąt lub kula, zarządzanych za pomocą prostych operacji logicznych.
2. Reprezentacja graniczna (BR) - model ciągły powstaje poprzez zdefiniowanie powierzchni tworzących granice przestrzenne. Obiekt jest następnie tworzony przez połączenie punktów w przestrzeni. Wiele programów wykorzystuje metodę elementów skończonych (FEM), ponieważ umożliwia ona łatwą kontrolę nad wewnętrzną siatką objętości.

Termin parametryczne modelowanie 3D oznacza, że program MCAD wykorzystuje dane fizyczne. W tej metodzie wymiary określają geometrię, a nie odwrotnie jak w modelach bryłowych 2D i tradycyjnych 3D. Dlatego każda edycja wartości powoduje zmianę wymiarowania. Dodatkowo, relacje lub ograniczenia użyte do stworzenia części są rejestrowane i kontrolowane przez program.

Podstawowa jednostka projektowa

Element jest podstawową jednostką parametrycznego modelu bryłowego. Tak jak zespół składa się z różnych części, tak plik składa się z poszczególnych części. Każda cecha posiada definiujące ją inteligentne właściwości. W trakcie procesu projektowania definiowane są ograniczenia geometryczne oraz wymiary, które należy zastosować. Projektant przechowuje te właściwości w bazie danych i wykorzystuje je do tworzenia nowych produktów.

Przykładami takich bloków konstrukcyjnych, zwanych elementami, są otwory, żebra, fałdy, fazki i inne cechy geometryczne. Nowe funkcje zależą od istniejących funkcji, więc zmiany w projekcie są naprawiane automatycznie. W ten sposób modelowanie funkcjonalne odzwierciedla intencje projektanta. Jeśli wzór lub powiązana część ulegnie zmianie, oprogramowanie ponownie generuje ten element zgodnie z przypisanymi do niego właściwościami granicy. Na przykład krawędź zdefiniowana jako styczna do łuku przesunie się, aby zachować ograniczenie styczności, jeśli rozmiar łuku ulegnie zmianie.

Generowanie modelu komputerowego

W węższym znaczeniu termin CAD oznacza komputerowe generowanie i modyfikowanie modelu geometrycznego. W szerszym znaczeniu obejmuje to wszystkie zautomatyzowane czynności w procesie projektowania: modelowanie geometryczne, obliczenia, gromadzenie i dostarczanie informacji Od koncepcji do produkcji.

Aplikacje pierwotnie wykorzystywane do dokumentacji produkcyjnej. Wraz z rosnącą mocą obliczeniową złożonych aplikacji eksperckich i zintegrowanych rozwiązań, FEM stała się bardziej powszechnie stosowana do projektowania i tworzenia produktów. Dostępne jest projektowanie inżynierskie, dzięki któremu obiekty od początku traktowane są jako ciała trójwymiarowe. W razie potrzeby rysunki techniczne mogą być generowane automatycznie z wirtualnych modeli części.

Szczególną zaletą 3D-CAD jest możliwość zaprojektowania obrazu produktu z dowolnego kierunku. Drukarka 3D umożliwia przejście od obiektu wirtualnego do rzeczywistego. Tworzone są ulepszone modele dla określonych właściwości fizycznych, np. wytrzymałości, elastyczności itp. CAD jest stosowany w prawie wszystkich dziedzinach techniki: architektura, inżynieria lądowa, budowa maszyn, elektrotechnika oraz w wąskich dziedzinach, takich jak technika dentystyczna.

Wiodące w branży oprogramowanie

Obecnie na rynku dostępne są liczne programy do modelowania parametrycznego. Są one skategoryzowane według poziomu ich wykorzystania:

1. Niskie koszty użytkowania.
2. Szeroko stosowany.
3. Modelowanie przemysłu.

Ostatnia z tych trzech kategorii, oprogramowanie branżowe, stała się najbardziej popularna.

Wiodące w branży produkty programowe:

1. SolidWorks - wprowadzony w 1995 roku, jako tani konkurent na rynku. Oprogramowanie do modelowania parametrycznego SolidWorks zostało przejęte w 1997 roku przez Dassault Systemes. Znajduje zastosowanie w projektowaniu mechanicznym oraz w przemyśle tworzyw sztucznych.
2. CATIA - stworzona przez Dassault Systemes we Francji pod koniec lat 70. XX wieku. To zaawansowane oprogramowanie jest szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, samochodowym i stoczniowym.
3. Aplikacja Siemens NX do modelowania parametrycznego, znana wcześniej jako Unigraphics, została przejęta przez McDonnell Douglas w 1977 r. Jest to kompletne rozwiązanie do projektowania i produkcji wyrobów o szerokim zakresie zużycia.
4. Grasshopper, wtyczka do Rhinoceros skoncentrowana na projektowaniu parametrycznym, pełniąca rolę edytora algorytmów generatywnych. Zaletą tego programu jest to, że w odróżnieniu od wielu nie wymaga doświadczenia w tworzeniu skryptów, pozwala na tworzenie schematów z generacji komponentów, zyskując znaczną optymalizację czasu.
5. Modelowanie parametryczne Compass 3d wykorzystuje komputer do projektowania obiektów lub systemów funkcjonujących w świecie rzeczywistym.
6. Autodesk, jest starszą wersją AutoCada i pozwala na realizację projektów 3D. Zastosowania - mechanika przemysłowa.
7. KeyCreator to nieparametryczny, nieoparty na historii, "prosty" CAD 2D/3D do modelowania bryłowego. Pierwotnie znany jako CADKEY, został po raz pierwszy wydany w 1984 roku i działa w systemy operacyjne DOS, UNIX i Microsoft Windows. Pierwsze oprogramowanie CAD z możliwościami 3D dla komputery osobiste. Oprócz modelowania bryłowego, KeyCreator wykonuje modelowanie powierzchniowe wireframe i kreślenie.

Porównanie zaawansowanych technologii

SolidWorks dominuje w opracowywaniu produktów dla przedsiębiorstw, podczas gdy KeyCreator jest systemem CAD wybieranym dla specjalistycznych procesów projektowania i produkcji. Są to dwa dobrze wyszkolone narzędzia o wyraźnych zaletach. Aby określić, czy KeyCreator jest odpowiednią metodą modelowania parametrycznego, porównaj, które oprogramowanie najlepszy spełnia potrzeby użytkownika.

KeyCreator modelowanie bez historii pozwala projektantom nie tylko szybko tworzyć projekty od podstaw, ale także otwierać i edytować dowolny plik CAD niezależnie od źródła. KeyCreator oferuje przewagę nad SolidWorks w zakresie możliwości obsługi nieprzewidywalnych zmian projektowych, a obszerny zestaw tłumaczy daje użytkownikom narzędzia potrzebne do wykonania pracy w dowolnym miejscu na świecie.

Funkcje KeyCreator pozwalają na swobodną ewolucję projektów, ponieważ szkice i modele 3D nie są ograniczone historią operacyjną ani ograniczeniami. Takie podejście pozwala początkowym nieuporządkowanym koncepcjom stopniowo ewoluować w złożone zespoły. Elastyczne możliwości eksportu KeyCreatora oznaczają, że geometria 3D jest łatwo przenoszona do następnego etapu projektowania produkcji.

Podejście PM firmy SolidWorks jest idealne do zarządzania aktualizacjami modelu opartymi na charakterystyce wydajności produktu; ścisłe ograniczenia pozwalają obliczyć udoskonalenia dla projektów, które są obecnie statyczne. Zapewnia również szeroką kompatybilność z narzędziami do zarządzania danymi, które wykorzystują metadane projektu w całym procesie produkcyjnym.

Wieloplatformowe oprogramowanie obiektowe 3D

FreeCAD - otwarty projektant wieloplatformowych parametrycznych obiektów 3D w kaskadzie. Oprogramowanie stosowane głównie w inżynierii mechanicznej do opracowywania rzeczywistych produktów. Produkty 3D posiadają funkcje MCAD, CAx, PLM i CAD wraz z pełnym zestawem opcji dostosowywania i rozszerzeń.

Użytkownicy wybierają FreeCAD ze względu na łatwość użycia opartą na QT. To oprogramowanie obsługuje i integruje różne formaty plików, można łatwo stworzyć kształt 3D z 2D, wyodrębnić szczegóły projektu lub dostosować wymiary z wystarczającą ilością komponentów. FreeCAD posiada również model renderowania scen 3D kompatybilny z Open Inventor, paski narzędzi, przełączniki, kompleksowe Python API oraz układy.

Cechy oprogramowania:

1. Obszerna dokumentacja online.
2. Dostępne dla systemów MacOS, Linux i Windows.
3. Posiada interfejs użytkownika, który można łatwo dostosować do własnych potrzeb.
4. Zapewnia zintegrowaną obsługę języka Python.
5. Zapewnia swoim użytkownikom wszystkie zaawansowane i rozszerzalne narzędzia, których potrzebują: pracę przestrzeń dla trasy, dane geograficzne, eksperymentalne narzędzia CFD, analizy elementów skończonych (FEA), moduł symulacji robota oraz BIM.
6. Obsługa adnotacji takich jak wymiary i tekst.
7. Obciążony wieloma zaawansowanymi funkcjami, darmowy dla każdego.

Narzędzie do projektowania Fusion 360

Fusion 360 dla Windows to narzędzie CAD 3D stworzone przez Autodesk. Skoncentrowane na projektantach modelowanie 3D w programie Fusion 360 jest potężnym narzędziem do tworzenia detali i zapewnia opcje testowania funkcjonalności obiektów oraz modelowania ruchu. Autodesk Fusion 360 jest oparty na chmurze. Tworzone dane są zawsze przechowywane w chmurze, co ułatwia pracę zespołową.

Autodesk Fusion 360 obejmuje następujące kluczowe czynniki rozwoju produktu: symulację funkcjonalną, rendering i preprodukcję. Wszystkie te funkcje można połączyć w jednej aplikacji. Formy pracy z funkcją T-splajnu. Poprzez tworzenie inteligentnych relacji pomiędzy komponentami, można symulować funkcjonalność zespołów.

Powiązanie poszczególnych komponentów ze sobą jest definiowane przez połączenia. Poprzez dostosowanie właściwości, takich jak sztywność lub obrót, komponenty mogą być pozycjonowane z odpowiednią ilością ruchu względem siebie. Aby produkt wyglądał dobrze, Fusion 360 posiada szereg materiałów do pokrycia pożądanej powierzchni.

Interfejs użytkownika programu Autodesk Fusion 360 jest przejrzyście zorganizowany. Pasek menu zapewnia dostęp do gotowego projektu oraz możliwość szybkiego zapisywania bieżących projektów. Dodatkowo, działania można cofnąć lub wykonać ponownie za pomocą jednego kliknięcia. Zaprojektuj proste lub złożone obiekty w sekcji "Utwórz". Dostęp do historii projektu poprzez oś czasu, abyś mógł było wprowadzenie zmian i zapisanie ich.

Punkt początkowy symulacji

Obiekt koncepcyjny wymaga modelu 2D, który następnie jest przekształcany na jeden z głównych sposobów: wytłaczanie, obrót i rozwieranie.

Punktem wyjścia dla modelu PM jest szkic, który początkowo jest precyzyjną formą tworzonej części lub komponentu i stanowi inteligentną reprezentację części. Ważne jest, aby przeanalizować i zaplanować każdą część przed projektowaniem, aby określić najbardziej efektywną sekwencję budowy.

Niezadowalające strategie symulacji oprogramowania parametrycznego prowadzą do powstawania części, których tworzenie trwa dłużej z powodu skomplikowanych edycji. Szkic powinien być zaprojektowany tak, aby umożliwić maksymalną elastyczność i zmienność poprzez traktowanie gotowego modelu bryłowego jako zbioru zmiennych elementów.

Sekwencja tworzenia szkicu

Przed przystąpieniem do szkicu należy przeanalizować model w celu określenia najlepszego profilu przypadku podstawowego. Najlepszy jest ten, który w pełni opisuje ogólny kształt i minimalizuje liczbę pozostałych cech, konieczny dla zakończenie projektu. Każda nowa część zawiera trzy nieskończone płaszczyzny odniesienia, które reprezentują w przestrzeni płaszczyzny przednią, górną i prawą przechodzące przez początek - punkt zerowy w przestrzeni.

Ogólna procedura PM polega na wyborze najlepszego profilu dla pierwszej cechy modelu. Następnie należy wybrać najbardziej odpowiednią płaszczyznę, na której zostanie utworzony pierwszy szkic, tak aby ostateczna wersja miała prawidłową orientację w widoku graficznym.

Geometria musi być utworzona poprzez uchwycenie ograniczeń podczas tworzenia szkicu, a następnie zmierzenie w celu określenia ostatecznej geometrii. W pełni zdefiniowany jest czarny, niekompletny jest niebieski, a overridden jest czerwony.

Szkic 2D jest następnie przekształcany w bryłę 3D poprzez wytłaczanie lub obracanie. Może być przekształcony w kompletne części przez proces rozwiercania, który posiada funkcje przedłużania rysunku prostopadle do płaszczyzny oraz obracania elementów wokół osi. Metoda ta przesuwa go po trajektorii składającej się z prostej lub zakrzywionej geometrii. Do rysowania służy kilka szkiców, z przejściami od jednej postaci do drugiej. Każda sesja owocuje nowym wymiarem. Z gotowego modelu bryłowego utwórz plik rysunkowy o standardowych wymiarach dla widoków izometrycznych.

Zalety CAD

CAD parametryczny wykorzystuje wiele narzędzi z różnych dziedzin, takich jak modelowanie geometryczne, które obejmuje geometrię różniczkową, teorię zbiorów, algebrę macierzy, informatykę teoretyczną i stosowaną. Narzędzia te mogą być łączone i różnią się w zależności od systemu CAD i sektora zastosowań. Są one zorientowane wektorowo, co stanowi przeciwieństwo orientacji siatkowej.

CAD służy do tworzenia cyfrowych modeli projektowych o różnych cechach, które dostarczają informacji do wytworzenia wymaganego produktu, poprzez rysunek techniczny, transfer CNC i inne.

Zaleta reprezentacji modelu wewnętrznego:

1. Racjonalizacja procesu budowlanego.
2. Możliwość łatwej i szybkiej zmiany modeli na zaawansowanych etapach procesu projektowania.
3. Zapobiega utracie informacji i błędom.
4. Możliwość wykorzystania w innych zastosowaniach
5. Optymalizuje projekt do momentu, gdy produkt jest gotowy do produkcji.
6. Modele bryłowe 3D oferują szeroki zakres sposobów oglądania modelu.
7. Wizualizacja produktu, ponieważ można zacząć od prostych obiektów z minimalną ilością szczegółów.
8. Integracja z aplikacjami niższego szczebla i skrócony czas cyklu rozwoju.
9. Istniejące dane projektowe mogą być ponownie wykorzystane do tworzenia nowych projektów.
10. Szybka zmiana projektu, zwiększona wydajność.
11. Produkcja cyfrowa.

Jedną z zalet oprogramowania do modelowania parametrycznego jest to, że umożliwia ono cyfrową produkcję bezpośrednio w projekcie, ponieważ jest zintegrowane z maszynami sterowanymi numerycznie lub drukarkami 3D.