Проектирование корпуса судна и комплекс автоматизации раскроя на платформе Autodesk

Компания InterCAD традиционно предлагает специализированные ИT-решения для судостроения — как базирующиеся на технологиях Autodesk, так и самостоятельные разработки. Многие специалисты, работающие в сфере судостроения или судоремонта, не раз задумывались над тем, как распространить средства построений, имеющиеся в графическом редакторе AutoCAD, на процесс моделирования судна.

Некоторые попытки расширить функционал AutoCAD путем написания прикладных приложений на его платформе не просто выросли в самостоятельные средства САПР, но и были доведены до коммерческого использования, то есть стали продаваемыми программными продуктами.

В данной статье рассматриваются узкоспециализированные программные решения для судостроения, а именно программный комплекс ShipModel (собственная разработка компании InterCAD) и комплекс автоматизации раскроя и проектирования ЧПУ тепловой резки UPNEST, UPEDITOR.

Программный комплекс ShipModel

SM поддерживает три типа трехмерных моделей: каркасные, поверхностные и твердотельные, для каждого из которых существует своя техника создания и редактирования. Он содержит средства преобразования одного типа модели в другой (например, твердотельную модель в каркасную и т.п.).

В ПК ShipModel реализованы следующие задачи:

• формирование теоретической и конструктивной трехмерной модели поверхности корпуса судна плазового качества без ограничений сложности формы
• судовых корпусных обводов;
• расчет теоретических и практических шпангоутов, ватерлиний, батоксов и произвольных сечений;
• расчет (трассировка) конструктивных линий корпуса судна: пазов, стыков, линий притыкания палуб, платформ, переборок, выгородок, набора и др.;
• формирование таблиц плазовых координат, теоретического чертежа и растяжки НО;
• разбивка модели корпуса судна на сборочные единицы, моделирование элементов конструкции корпуса судна и расчет геометрии корпусных деталей;
• прецизионная развертка не плоских корпусных деталей без ограничения на сложность формы разворачиваемых объектов с отображением на развертках следов конструктивных линий, вырезов, приклада гибочных шаблонов и т.п.;
• расчет данных и выпуск документации для изготовления оснастки (гибочных шаблонов, каркасов и т.п.) для гибки корпусных деталей (листовых и профильных) и схем их установки;
• расчет данных и выпуск документации для изготовления и настройки сборочно-сварочных индивидуальных и универсальных (коксовых) постелей (схемы установки лекал, проектирование деталей лекальных постелей, разработка данных для установки коксов);
• расчет данных и выпуск документации для сборки секций (расчет базовых и контрольных линий, контуровочных (разметочных) эскизов, малок установки шпангоутов, ребер жесткости, платформ, переборок и других элементов судовых конструкций);
• выдача различной дополнительной информации (размеров, площадей, координат, длин и др.);
• 3D-макетирование корпусных конструкций и насыщенных помещений типа машиннокотельного отделения (МКО);
• разработка проектно-конструкторской документации.

Важной отличительной особенностью ShipModel является поддержка всех возможных типов 3D-моделей: каркасных, поверхностных и твердотельных. Для каждого из типов существует своя техника их создания и редактирования.

Каркасная модель (wireframe) представляет собой скелетное описание 3D-объекта. Она не имеет граней и состоит только из точек, отрезков и кривых, описывающих ребра объекта (рис. 1).

Рис. 1

Моделирование с помощью поверхностей является более сложным процессом, так как здесь описываются не только ребра 3D-объекта, но и его грани.
ShipModel строит поверхности на базе многоугольных сетей (mesh). Поскольку грани сети являются плоскими, представление криволинейных поверхностей производится путем их аппроксимации. Криволинейные NURBS-поверхности создаются средствами Surface (рис. 2).

рис. 2

Моделирование с помощью тел — это простой в применении вид 3D-моделирования. ShipModel на основе средств AutoCAD по моделированию тел позволяет создавать трехмерные объекты из базовых пространственных форм: параллелепипедов, конусов, цилиндров, сфер, торов и тел вращения. Из этих форм путем их объединения, вычитания и пересечения строятся более сложные пространственные тела. Кроме того, тела можно строить, сдвигая 2D-объект вдоль заданного вектора или вращая его вокруг оси. С помощью приложений к AutoCAD форму и размеры тел можно задавать параметрически, поддерживая связь между 3D-моделями и генерируемыми на их основе двумерными видами (рис. 3).

рис. 3

Кроме того, ShipModel содержит средства преобразования плоского теоретического чертежа в каркасную 3D-модель, а каркасную — в поверхностную и наоборот.

Перечисленные возможности программного комплекса позволяют эффективно формировать в нем модели корпуса и корпусных конструкций с последующей их передачей в другие системы.

Для обработки корпусных конструкций сложной геометрии в ShipModel используются средства трассировки конструктивных линий (пазов, стыков и т.п.), формирования развертки криволинейных поверхностей произвольной кривизны и конфигурации, а также расчета гибочной и сборочной оснастки.

Средства трассировки базируются на командах пересечения (реализованы все виды пересечений и измерений геометрических характеристик), расчета линий по растяжке от базовых линий и расчета инвариантных линий поверхности (геодезические, изогональные и тому подобные линии).

К средствам формирования развертки криволинейных поверхностей произвольной кривизны и конфигурации относятся команды прецизионной развертки, а также прямого и обратного отображения конструктивных линий поверхности на плоскость/развертку. В процессе развертывания анализируются кривизна и толщина листов и выдаются технологические рекомендации (например, назначить припуск на гибку или расстыковать деталь). Кроме того, производится автоматическая компенсация гибочных деформаций и выдаются размеры прямоугольника ограничения, на основе которых принимается решение о допустимости использования заказанного листового проката.

ShipModel содержит средства формирования гибочной оснастки — гибочных шаблонов, каркасов и схем их установки. Поскольку зарубежные системы, такие как FORAN, TRIBON (AVEVA), ShipConstructor и др., ориентированы на обязательную разметку в процессе резки листового проката следов притыканий корпусных конструкций, состав их гибочносварочной оснастки несколько иной. Например, не рассчитываются контуровочный/разметочный эскиз и эскиз для разметки базовых линий. Для отечественных предприятий, которые в подавляющем большинстве случаев разметку следов конструктивных линий игнорируют, эта оснастка необходима. ShipModel поддерживает оба стандарта.

Перечисленных средств моделирования и обработки корпусных конструкций сложной геометрии вполне достаточно, чтобы исключить необходимость натурного моделирования и доработки объектов средствами плаза.

Небольшая стоимость, весьма скромные требования к техническим средствам, простота освоения и универсальность среды AutoCAD, в которой функционирует ShipModel, — вот залог успешного внедрения на судостроительных предприятиях.

В настоящее время ShipModel содержит input/output-интерфейсы с системами FORAN, TRIBON (AVEVA), CATIA, ShipConstructor, ПК-ПЛАЗ и другими, поддерживающими форматы DXF, DWG, IGES, STEP, SAT.

Безусловным преимуще ством программного комплекса ShipModel считается использование в системе графической платформы Autodesk, которая (в новых версиях программных продуктов) дает пользователю колоссальные возможности. Вот лишь некоторые из них:

в части 2D-графики:

• преобразование сплайнов в полилинии,
• плоская параметризация. Возможность наложения геометрических и размерных зависимостей;

в части 3D-графики:

• сглаживание сетей. Преобразование поверхности типа Mesh в гладкую поверхность,
• создание твердого тела (Solid) сложной формы с применением операции протяжки по сечениям,
• создание твердого тела сложной формы с применением операции сдвига,
• преобразование поверхности в гладкое тело,
• создание тонкостенной твердотельной оболочки на базе поверхности.

При этом судостроитель, имеющий навыки опытного пользователя AutoCAD, уже на 60-70% готов к работе в системе ShipModel.

Программный комплекс применяется на 24 предприятиях России и стран ближнего зарубежья.

В мае 2011 года вышла коммерческая версия 7.2 SM18 для AutoCAD 2010-2012/ AutoCAD Mechanical 2010-2012.

Автоматизированный редактор листового раскроя UPNEST

Редактор раскроя UPNEST выполняет следующие функции размещения деталей на прямоугольных листах:

• диалоговый раскрой группы совместного раскроя (ГСР) с нуля;
• автоматический прямоугольный раскрой ГСР на листах прямоугольной формы;
• автоматический фигурный раскрой ГСР на листах прямоугольной формы;
• редактирование карт раскроя интерактивно и с элементами автоматизации;
• автоматический расчет деловых отходов;
• контроль изменения геометрии раскроенных деталей;
• автоматическая коррекция положения детали, размещенной вручную.

Минимально необходимые данные для того, чтобы можно было начать раскрой — это файлы деталей в DXF-формате и описание типоразмеров заказного материала. Из DXF-файлов деталей извлекаются геометрия контуров, линии разметки, тексты маркировки и некоторые реквизиты (номер позиции, номер чертежа, количество, марка материала). Специальной обработке с целью извлечения всей информации подлежат DXF-файлы из судостроительных CAD-систем Tribon, Foran, Nupas Cadmatic, Catia. Ограничения на сложность деталей, число деталей в ГСР и в карте раскроя в редакторе UPNEST отсутствуют.

Возможен учет использования заказного материала и деловых отходов проекта.

Особенности редактора UPNEST

Каждая деталь представляет собой замкнутый контур, возможно, с внутренними вырезами. Для выбора детали достаточно кликнуть мышью в любую точку внутренней области детали. Графическое ядро редактора UPNEST — собственной разработки, лицензий на AutoCAD или другие базовые средства не требуется.

Редактор раскроя имеет такие автоматизированные команды, как сдвиг детали до упора в заданном направлении, совмещение заданных сторон двух деталей, автоматический докрой карты свободными деталями, и другие (рис. 4).

рис. 4

В редакторе раскроя реализован постоянный контроль пересечения деталей и полноты раскроя, а также неограниченный откат состояния сеанса раскроя.

Предусмотрен контроль изменения геометрии раскроенных деталей в случае редактирования карты раскроя. Если маршрут резки был назначен ранее, и детали карты изменяют свое положение или удаляются, маршрут резки корректируется автоматически. Окно деталей позволяет сформировать группу совместного раскроя из загруженных деталей, ввести недостающие реквизиты, установить порядок выборки деталей для автоматического раскроя и ограничения по размещению детали на листе металла (рис. 5).

рис. 5

В состав UPNEST входит программа Редактор текстов, позволяющая править маркировку детали, добиваясь оптимального расположения надписей на поле детали (отсутствие пересечений надписей, достаточная высота символов, связь текста с линиями разметки и обработки). Правка маркировки выполняется интерактивно или автоматически.

Программа Менеджер Заказов на раскрой (плагин UPNEST) обеспечивает управление выполнением заказа на листовой раскрой с применением реляционной базы данных (рис. 6).

рис. 6

Программа Менеджер Заказов на раскрой выполняет:

• описание заказа на раскрой, включающее описание материалов, чертежей и деталей заказа;
• автоматизированное формирование групп совместного раскроя (ГСР);
• выполнение автоматического раскроя двух видов: фигурного и гильотинного с записью результатов в базу данных и передачу для редактирования в редактор UPNEST;
• показ элементов заказа: материалов, деталей, ГСР, карт раскроя;
• слежение за исполнением заказа;
• ведение таблицы деловых отходов;
• выпуск сопроводительной документации по раскрою.

Редактор управляющих программ тепловой резки UPEDITOR

Создание управляющих программ тепловой резки

Возможно назначение совмещенного реза. Во время назначения маршрута программа динамически проверяет возможность построения пробивки и мостиков исходя из заданных ограничений.

Предусмотрен многоуровневый откат операций редактирования (рис.7).

рис. 7

В режиме редактирования осуществляется правка программ, записанных в форматах ESSI и EIA.

Возможно перемещение и изменение параметров пробивок и мостиков, удаление и добавление пробивок и мостиков, изменение порядка вырезки деталей. Возможно и полное переопределение маршрута резки. Во время редактирования управляющей программы (УП) можно просматривать текст УП в специальном окне, при этом положение маркера на изображении карты раскроя синхронизировано с изображением текста программы.

Возможна корректировка программы (удаление малых отрезков и дуг), введение учета смещения инструмента и введение команд торможения.

Для каждой управляющей программы можно получить полную технологическую информацию (время резки, длина реза и пр.).

Предусмотрена возможность получения из управляющей программы карты раскроя в формате DXF после автоматического удаления мостиков, перемычек и припуска на резку.

Полученные управляющие программы можно записать с перекодировкой в форматы ESSI или EIA, учитывая особенности языка управляющих программ машин конкретного завода. Требуемые коды технологических команд, а также коды, вставляемые в начало и конец программы, задаются пользователем в диалоговом режиме. При выводе расстояние между деталями с совмещенным резом приводится в соответствие с шириной реза конкретной машины (рис. 8).

рис. 8

Контроль позволяет определять в управляющих программах такие погрешности, как пересечение участков резки, резка по детали, пробивки на детали или слишком близко к ее кромке, нарушение последовательности и направления вырезки внешнего и внутренних контуров детали и т.д.

Автоматическое назначение маршрута тепловой резки

В процессе анализа каждого контура определяется возможность его вырезки в двух направлениях.

Режим «Газовая резка» предписывает программе из двух возможных вариантов вырезки контура в разных направлениях выбрать тот, при котором длина холостого перехода в точку пробивки будет меньше.

Режимы «По часовой стрелке» и «Против часовой стрелки», позволяющие осуществлять вырезку контуров только в одном направлении, используются для машин тепловой резки (например, плазменных), имеющих такие ограничения.

Работа программы «Автомаршрут» базируется на трех основных правилах:

1. Маршрут всегда назначается так, чтобы кромки детали, непосредственно примыкающие к основной массе еще не отрезанного металла, вырезались в последнюю очередь.
2. Среди всех возможных вариантов, удовлетворяющих предыдущему условию, выбирается вариант, позволяющий минимизировать холостые переходы.
3. Критерии, определяющие выполнение двух предыдущих правил, задаются и корректируются с помощью ряда допусков и коэффициентов.

Траектория, полученная автоматически, проверяется на корректность и может быть отредактирована вручную (рис. 9).

рис. 9

Создание управляющих программ разметки

Тексты, их положение и способ вывода можно задавать при построении маршрута обработки карты раскроя (рис. 10).

рис. 10

Создание управляющих программ тепловой резки с разделкой кромок

рис. 11

Для однорезакового поворотного блока возможно создавать программы с обработкой Y-фасок за два прохода.

Для обычного резака предусмотрена возможность компенсации конусности плазменной дуги при резке кромок с фасками путем добавления локального припуска. Величина локального припуска определяется автоматически (в зависимости от параметров фаски) или вручную для каждой кромки.

Заключение

Использование AutoCAD в качестве графической платформы в системе ShipModel считаем ее безусловным преимуществом, так как в судостроении накоплен большой опыт применения базовых средств Autodesk и любой опытный пользователь AutoCAD уже на 80% готов к работе в программном комплексе ShipModel.

Для предприятий, использующих тяжелые специализированные средства САПР, применение ShipModel может оказаться актуальным, поскольку данная система на 100% способна решать узкоспециализированную задачу судостроения, а именно создание корабельных обводов плазового качества.

Для этого в системе ShipModel есть все средства работы с каркасной, поверхностной, твердотельной и комбинированной моделью. Комплекс автоматизации раскроя и проектирования ЧПУ тепловой резки UPNEST, UPEDITOR имеет ряд существенных преимуществ перед аналогами, главные из которых:

• универсальность — комплекс автоматизации раскроя работает с данными по геометрии деталей, которые получены из любых САПР, применяемых при проектировании;
• удобство работы;
• привлекательная цена.