Что такое прямое редактирование геометрии?

Речь на деле идет о достаточно известном методе параметризации геометрии, называемом в профессиональном кругу вариационным, приходящим либо на смену, а вернее в дополнение к привычному в современных САПР подходу, основанному на истории (дереве) построения модели (history-based-design). Этот метод параметризации моделей нашел себе широкое применение в последние 15-20 лет благодаря высокой эффективности и достаточной простоте в программной реализации. Суть его проста — каждый новый конструктивный элемент заданием своих параметров однозначно позиционируется относительно ранее построенных элементов. Модификация элементов происходит путем изменения значения их параметров. При изменении значения параметра одного элемента происходит пересчет (обновление) его формы, а также пересчет формы всех элементов, построенных на его основе (например, при изменении плоского профиля происходит пересчет формы построенной на его основе криволинейной призмы).

Однако, проблема с данным подходом возникает тогда, когда у пользователя появляется потребность позиционировать друг относительно друга два и более ранее построенных элемента. В этом случае придется вернуться к построению одного из этих элементов и изменить способ его параметризации, что далеко не всегда представляется возможным. Ситуация становится еще хуже, если пользователь попытается задать циклические зависимости между элементами. В этом случае большинство традиционных систем, основанных на истории построения, просто откажутся иметь дело с такими моделями, ведь процедура их перестроения при изменении значений параметров окажется зацикленной. Наконец, третий недостаток традиционного параметрического подхода на основе истории построения заключается в том, что пользователю постоянно приходится иметь дело с полностью определенной геометрической моделью без внутренних степеней свободы, что ограничивает возможности ее редактирования (можно лишь редактировать параметры каждого элемента по очереди).

В противовес подходу, основанному на истории построения модели, была предложена концепция вариационного подхода к проектированию, основной идеей которого является возможность связывания конструктивных элементов и определяющих их параметров посредством ограничений. Ограничение — это декларативная (т.е. назначаемая) спецификация, задающая связь между геометрическими элементами модели и их параметрами. Такая связь может быть как логической (параллельность двух отрезков, касание плоскости и сферы), так и параметрической (длина отрезка, радиус скругления, угол сопряжения граней). Накладывая и удаляя такие ограничения, а также изменяя значения их параметров, пользователь может изменять геометрическую форму проектируемого изделия. В этом случае система автоматизированного проектирования автоматически подбирает такие значения параметров конструктивных элементов, которые обеспечивают удовлетворение всех заданных пользователем ограничений на их взаимное расположение. Выгодным отличием вариационного подхода от подхода, основанного на истории построения, является полное раскрепощение творческой мысли проектировщика, который получает мощный инструмент для редактирования геометрических форм. В любой момент построения между элементами модели можно задать или удалить ограничения, а также поменять значения их параметров. Свобода в задании ограничений позволяет иметь дело с циклическими зависимостями и не полностью определенными моделями (оставшиеся степени свободы пользователь может использовать для интерактивного редактирования модели). Понимать и редактировать такие декларативные спецификации (на основе ограничений) намного проще, чем историю построения модели, что делает легким работу нескольких проектировщиков над одной моделью. Кратко ключевые различия двух подходов к параметрическому проектированию представлены в таблице.

Сам по себе вариативный подход не является новинкой и уже более десятилетия широко используется в системах геометрического моделирования и в САПР в частности, например в создании двумерных эскизов для последующего построения трехмерных тел, или в системах моделирования кинематики. Существовали и экспериментальные реализации полностью параметрических моделлеров. Однако «провязка» всей модели геометрии, начиная от первичных элементов и заканчивая сложными сборками в реальных САПР и на практических промышленных проектов был трудно реализуем 10 лет назад, когда закладывались основные архитектурные принципы тех САПР, которые мы используем на практике сейчас. Нужно помнить, что цикл создания нового поколения продукта в САПР весьма долог, и составляет около пяти лет. И то, что мы видим сейчас в появляющихся системах прямого редактирования геометрии на деле задумано 3-5 лет назад.

Трудности, на мой взгляд, были в двух ипостасях. Первая — производительность. И сами геометрические решатели тех времен были не так совершенны, как «сейчас» (т.е. на момент принятия решения о их разработке) как по производительности, таки по требуемой функциональности. Да и вычислительные возможности оборудования тех лет явно не удовлетворяли требуемому уровню. К рубежу 2003-2005 года, когда закладывались вышедшие сегодня на свет решения, все эти вопросы естественным эволюционным путем были решены. Так что появление таких систем, как SpaceClaim, NX6, CATIA V6 — вполне логичный и естественный ход развития средств работы с геометрией в САПР.

Еще один вопрос, часто возникающий у пользователей — что такое технология синхронного моделирования, анонсированная Siemens PLM Software и не является ли этот термин очередным рекламным слоганом? Полагаю, что нет. Синхронное моделирование — по сути развитие вариационного метода, дополненного мощными средствами автоматического распознавания и назначения ограничений (Autoconstraining) основанными на использовании технологий накопления и переиспользования инженерных знаний (knowledgeware). Такая связка делает функциональность прямого редактирования геометрии не только мощной но и интуитивно-ясной и простой в использовании.

Заменяет ли синхронное моделирование традиционный подход с историей построений? Скорее — дополняет. Само по себе наличие информации о истории построения порой является ценным, например с точки зрения технолога. Синхронная технология позволяет, сохранив эту информацию, редактировать геометрию более свободно, не ограничиваясь жесткими рамками последовательности построений.

Рассмотрим работу по новой технологии на примере. Задача — увеличить расстояние между отверстиями кронштейна. При традиционном подходе для этого будет сначала изменить размер самого основания, т.к. отверстия являются элементами геометрии «дочерними», по отношению к нему. В свою очередь для изменения размера основания нужно изменить геометрию контура. Такая последовательность действий не совсем натуральна и естественна.

При использовании вариационной технологии все, что потребуется сделать — изменить значение назначенного размера — расстояния между осями отверстий. Все остальное будет проделано автоматически, т.к. система учтет условие концентричности между измененными отверстиями и цилиндрическими поверхностями на концах основания, условие касательности боковой образующей к этим поверхностям и перевычислит новую длину основания.

Естественным будет вопрос со стороны разработчиков САПР — насколько доступной, как финансово так и технологически является технология прямого моделирования геометрии? На сегодняшний день на рынке коммерческих решателей широко доступны два: D-Cubed, разработанный британской компанией DCM, ныне принадлежащей Siemens PLM Software (на нем и основана технология синхронного моделирования) и LGS, разработанный российской компанией ЛЕДАС, о чем компания рассказала на isicad-2008 в секции «Новые технологии». Ряд корпораций разработчиков САПР используют решатели собственной разработки.

PS: В публикации использованы фрагменты статьи Дмитрия Ушакова «Технологии вариационного проектирования для разработки типичных приложений САПР»

Об авторе

О компании ЛЕДАС