Трехмерное представление машиностроительных деталей: теория и практика

Трёхмерное представление на сегодняшний день имеет широкий спектр применения за счёт постоянно расширяющихся инструментов и практичного функционального подхода [1].

Трёхмерная графика – раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объёмных объектов в трёхмерном пространстве (3D-моделей). Процесс создания трёхмерной модели объекта называется 3D-моделированием. Задача 3D-моделирования – разработать визуальный объёмный образ желаемого объекта. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Зарождение данного направления обычно относят к 60-м годам прошлого века, однако только современные технологии способствовали широкому распространению 3D на все сферы нашей жизни. Технологии, основанные на создании трехмерных моделей, постоянно совершенствуются, а область их применения постоянно расширяется.

3D-технологии дают возможность полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге. Программы по 3D-моделированию позволяют увидеть объект во всех ракурсах непосредственно на экране, и устранить выявленные недостатки не в процессе реального создания, как это обычно бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке. Процесс же физического создания самой модели займет несколько часов, все зависит от сложности изготавливаемой модели.

Из 3D-модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание 3D-модели может быть довольно сложным процессом, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временные затраты на проектирование, снижаются издержки [9].

Все актуальней становится создание 3D моделей при производстве машиностроительных деталей на предприятиях, так как конструкторы имеют возможность наглядно видеть результат своей работы уже в процессе проектирования [4]. Деталь в моделировании – модель изделия, изготавливаемого из однородного материала, без применения сборочных операций. Они имеют различный характер использования – от вспомогательных объектов до подлинников документации.

Любая 3D-модель – это объемная фигура в пространстве, создаваемая в специальной программе. За основу, как правило, принимаются чертежи, фотографии, рисунки и подробные описания, опираясь на которые, специалисты и создают виртуальную модель.

Процесс 3D-моделирования в машиностроении имеет свои сложности при выполнении работы, например, если деталь (узел) изделия машиностроения имеет сложную геометрию, много конструктивно-важных элементов или большое количество деталей (если сборочная единица). Для того чтобы успешно создать 3D-модель изделия машиностроения необходимо иметь:

• •    знания в области инженерии;

• •    навык пользования CAD системами;

• •    знания в области инженерной графики и начертательной геометрии для черчении в CAD системе;

• •    знания конструкторской документации для чтения и анализа чертежей;

• •    опыт программирования для параметризации переменных модели;

• •    доступ к содержанию государственных стандартов (ГОСТ).

В настоящее время 3D-модели создаются с помощью графических программ, которые позволяют моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения. Созданные модели можно посмотреть со всех сторон (сверху, снизу, сбоку), встроить на любую плоскость и в любое окружение. Выбор оптимального программного обеспечения для моделирования часто бывает трудным, так как непросто найти программу, в которой был бы весь необходимый функционал.

Среди систем автоматизированного проектирования машиностроительных деталей наибольшую популярность сегодня приобрели SolidWorks, Autodesk Inventor, Solid Edge, AutoCAD и Компас 3D.

Программный комплекс SolidWorks предназначен для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Данная программа обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Разработана компанией SolidWorks Corporation.

Комплексные решения SolidWorks базируются на передовых технологиях гибридного параметрического моделирования, интегрированных средствах электронного документооборота SWR-PDM и SWR-Workflow, а также на широком спектре специализированных модулей.

Autodesk Inventor – система трехмерного твердотельного проектирования, мощное решение компании Autodesk для инженеров-машиностроителей. Это 3D САПР для создания и изучения поведения цифровых прототипов изделий и деталей, которая используется в основном в машиностроении.

Система Autodesk Inventor имеет в своем составе довольно мощный и в то же время простой и удобный в использовании инструментарий, который позволяет производить визуальное моделирование деталей, осуществлять различные расчеты, делать необходимый анализ и выпускать готовую к применению на производстве рабочую документацию. Производимая при помощи системы Autodesk Inventor визуализация позволяет в полной мере оценить все нюансы и тонкости конструкторской разработки. Программный комплекс позволяет создавать точные цифровые модели практически любого оборудования, а также проектировать как отдельные детали, так и целые узлы, и агрегаты машиностроительной продукции с минимальными затратами времени, что исключительно положительным образом сказывается на их себестоимости.

Solid Edge – система твердотельного и поверхностного моделирования, в которой реализованы как параметрическая технология моделирования на основе конструктивных элементов и дерева построения, так и технология вариационного прямого моделирования. Программа предназначена для моделирования деталей и сборок, создания чертежей, управления конструкторскими данными и обладает встроенными средствами конечноэлементного анализа.

Инструменты моделирования деталей и сборок в Solid Edge позволяют инженерам легко создавать самые разнообразные изделия – от отдельных деталей до узлов, состоящих из тысяч компонентов. Ориентированные на нужды конкретных отраслей команды и структурированные технологические процессы ускоряют проектирование типовых элементов, а инструменты создания, анализа и ре-

Таблица 1. Характеристики программных продуктов

Признак	Программный продукт
	SolidWorks	Autodesk Inventor	Solid Edge	Autodesk AutoCAD	КОМПАС-3D
Операционная система	Windows 7, 8.1, 10
Минимальные характеристики процессора	Intel или AMD с под-держкой SSE2	Intel или AMD с так-товой частотой 2 ГГц	Intel или AMD с под-держкой SSSE3	Intel Pen-tium 4 или AMD Athlon 64	Intel или AMD с под-держкой SSE2
Минимальная оперативная память	От 8 Гб	От 8 Гб	От 4 Гб	От 2 Гб	От 2,1 Гб
Тип моделирования	Твердотельное, поверхностное	Твердотельное, поверхностное	Твердотельное, поверхностное	Каркасное, твердотельное, поверхностное	Твердотельное, поверхностное
Поддержка ГОСТ, ЕСКД	ЕСКД	ЕСКД	ЕСКД	ЕСКД	ГОСТ, ЕСКД
Возможность создания анимации	Есть	Есть	Есть	Есть	Есть
Библиотека стандартных изделий	Есть	Есть	Есть	Есть	Есть
Стоимость годовой лицензии, руб.	162 000	70 302	99 800	57 142	146 000

дактирования моделей сборок гарантируют точное сопряжение и правильное функционирование каждой детали.

Двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения Autodesk AutoCAD разработана компанией Autodesk, которая является на мировом рынке признанным лидером среди разработчиков систем САПР. Первая версия системы была выпущена в 1982 году. С помощью AutoCAD можно строить 3D-модели, создавать и оформлять чертежи и многое другое. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение не только в машиностроении, но и в строительстве, архитектуре и других отраслях. Программа является платформенной САПР, то есть эта система не имеет четкой ориентации на определенную проектную область, в ней можно выполнять строительные и машиностроительные проекты, работать с изысканиями, электрикой и многим другим.

КОМПАС – семейство систем автоматизированного проектирования с возможностями оформления проектной и конструкторской документации со-гласно стандартам серии ЕСКД и СПДС. Разработчик - российская компания «Аскон».

В основе программы КОМПАС-3D лежит трехмерное и поверхностное моделирование. Чертежно-графический редактор программы позволяет использовать многочисленные библиотеки стандартизованных элементов и изделий, а также поддерживает все требования стандартов ЕСКД по созданию конструкторской документации. Его применение открывает широкие возможности для интенсификации процесса разработки электронных чертежей и моделей, обеспечивает высокое качество при их выполнении и поддерживает широко используемые форматы расширения (DWG, STEP, IGES, ACIS, DXF), позволяющие осуществлять экспорт-импорт данных с различными CAD/ CAM/CAE системами.

Анализ вышеописанных сведений позволил провести сравнительную характеристику программных продуктов трехмерного моделирования инженерных деталей (табл. 1).

На основании анализа таблицы можно заключить, что перечисленные программные продукты способны функционировать на ПК практически со сходными типами процессоров, при этом для нормального функционирования системам Autodesk AutoCAD и Компас-3D необходимы наименьшие объемы оперативной памяти, по сравнению с остальными. Все программы основаны на твердотельном и поверхностном моделировании, имеют возможность создания анимации, а также оснащены библиотеками стандартных изделий. Autodesk AutoCAD поддерживает также каркасное моделирование. По стоимости годовой лицензии AutoCAD также является наиболее выгодным, поскольку обладает наименьшей стоимостью по сравнению с остальными программными продуктами.

В результате применения возможностей программы КОМПАС-3D разработана трехмерная модель вакуумного кожуха. Рассматриваемый объект – вакуумная теплоизоляционная система в виде оболочки или кожуха. Подобные кожухи используют для областей, в которых требуется тепловая изоляция при температурах ниже около 100°С. В качестве примеров применения этих кожухов можно упомянуть стенки бытовых и промышленных холодильников, автоматов для продажи напитков или контейнеров для изотермической транспортировки, например, лекарственных средств или холодных (замороженных) пищевых продуктов. Исследуются варианты применения этих кожухов в области строительства или автомобилестроении.

Рисунок 2. Деталь Патрубок

Рисунок 2. Деталь Патрубок

Рисунок 3. Деталь Фланец

Рисунок 4. Сборка вакуумного кожуха

Моделируемый кожух состоит из следующих компонентов: одной обе-чайки, двух патрубков, пяти фланцев и двух ушек. Моделирование осуществлялось последовательностью нескольких этапов:

• •    моделирование обечайки;

• •    моделирование патрубка;

• •    моделирование фланцев;

• •    моделирование ушек;

• •    сборка детали.

Моделирование обечайки. Создание данной детали, как и всех остальных деталей, осуществлялось на базе эскизов, которые затем при помощи различных команд трансформировались в модель. Для обечайки вносились такие данные, как Расстояние и Толщина. Два круговых отверстия детали создавались через пункт Касательная плоскость с указанием необходимого угла (рис. 1).

Аналогично был создана модель детали Патрубок (рис. 2). Отличие за-ключалось в срезании нижней части объекта.

При создании фланца использовался пункт Листовое тело, в котором указывалась толщина, на которую выдав- ливался чертеж, а также элемент Вырез с помощью которого в листовом теле создавались вырезы в объекте (рис. 3).

Моделирование Ушек осуществлялось по такому же принципу, как и фланцев. Затем все элементы необходимо собрать в единый объект. Для этого использовался пункт Сборка и была получена готовая 3D-модель необходимого объекта (рис. 4).

Таким образом, с помощью программы «КОМПАС-3D» создана трехмерная модель, которая отображает внешний вид вакуумного кожуха. Данная модель может использоваться как вспомогательный инструмент при производстве или в качестве демонстрационного объекта для презентации.

Таким образом, трехмерное моделирование инженерных деталей акту-ально в деятельности предприятий различного рода промышленного производства, поскольку дает возможность увидеть, как будет выглядеть определенный объект еще до момента начала его изготовления, что в свою очередь позволяет избежать различного рода ошибок при непосредственном изготовлении.