Лекція_2

1.

КОМП'ЮТЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ В МАШИНОБУДУВАННІ
Лекція 2
1. Роль геометричної моделі
виробу в машинобудуванні
2. Геометричні моделі сучасного
машинобудування
3. Комп'ютерні 3D-моделі на різних
етапах життєвого циклу виробів

2.

1. Визначення й роль геометричної моделі виробу в машинобудуванні
Створення чогось нового, невідомого, зокрема й у машинобудуванні, можна
порівняти з процесом художньої творчості в мистецтві. Творцем і першопричиною
технічного прогресу є людина, яка, як правило, мислить зоровими образами, що
базуються на його творчій уяві. При уявному розв'язанні складних просторових
завдань відбувається пошук рішень спрямований на створення нової техніки. Цей
упорядкований творчий процес можна визначити як конструювання (проектування).
Процес конструювання – це вид інтелектуальної діяльності, за якої достовірні
результати отримують шляхом аналізу, переробки та створення нової інформації про
об'єкт проектування. Кожне рішення має бути ретельно продумане, сформульоване
та задокументоване. Одним з головних елементів конструювання є формування
(моделювання) зовнішнього вигляду (геометрії) виробу.
Тобто метою конструювання з точки зору системного підходу можна вважати
створення деякої геометричної моделі виробу, що проектується, яка ставиться у
відповідність реальному об'єкту і становить основу потоку конструкторськотехнологічної інформації підприємства.
На етапі виробництва відбувається перенесення форм та розмірів із
геометричної моделі, створеної конструктором, на матеріальний виріб.

3.

Для забезпечення реального виробництва та контролю виробу модель,
створена конструктором, повинна містити не тільки геометричні характеристики, але
й іншу інформацію, необхідну для виготовлення (матеріал, дані про якість
поверхонь, допуски, посадки тощо). Тому процес конструювання це не тільки
розробка виробу, а й забезпечення технологічної реалізації перетворення задуму
конструктора на виріб, тобто технологічна підготовка виробництва.
Тому геометричною моделлю виробу будемо називати узагальнену
модель, що містить інформацію про геометрію виробу, а також технологічну,
функціональну та допоміжну інформацію, а під геометричним моделюванням
розуміємо весь багатоступінчастий процес - від абстрактного представлення об'єкта
відповідно до поставленого завдання до опису його моделі однією з мов
геометричного моделювання.
Таким чином можна стверджувати, що геометрична модель виробу є основою
машинобудівного виробництва. Така модель повинна містити повну інформацію про
виріб, бути атестованою як еталон і супроводжувати виріб протягом усього його ЖЦ.

4.

Геометрична модель виробу - основа машинобудівного виробництва.
Модель – деяке наближення, що описує з тією чи іншою точністю
реальні властивості заданого об'єкта чи процесу
Модель виробу
Фізична
(прототип)
Математична
Розрахункова
модель
Геометрична
модель
Локальна
Повна

5.

2. Геометричні моделі сучасного машинобудування
Одні з вас – справжні машинобудівники, скажуть: "Яка там математична модель?
Основою машинобудівного виробництва є креслення".
Інші – більш просунуті у комп'ютерах скажуть: "Основою сучасного машинобудування
є комп'ютерна 3D-модель“
І всі мають рацію, тому що основними математичними (тобто геометричними)
моделями, на яких базується сучасне машинобудування, є креслення та комп'ютерна
3D-модель виробу.
Чому вони математичні?
Креслення деталі є найпоширенішою геометричною моделлю в машинобудуванні,
тому що він створюється мовою нарисної геометрії
Перші праці з графічного зображення предметів датуються ІІІ – V ст. до зв. е. Це роботи
Гіппократа, Піфагора, Платона, Демокріта, а пізніше Евкліда та Архімеда. Подальший
розвиток напрямок отримав у працях Л. Альберті (1404 - 1462), Леонардо да Вінчі (1452 - 1519),
А. Дюрера (1471 - 1528), Р. Декарта (1596 - 1658), І. Ламберті (1728 - 1777) .
Наприкінці XVIII століття французький математик Гаспар Монж (1746 – 1818),
узагальнивши раніше накопичений досвід проекційної грамоти, створив струнку наукову
дисципліну про прямокутні проекції. У 1798 р. він видав свою працю «Geometrie descriptive»
(«Нарисна геометрія»), в якій вперше систематизував дослідження в області зображення
просторових об'єктів на площині та створив методи виконання креслення.
У передмові Г. Монж написав: «Народній освіті буде дано корисний напрямок, якщо наші
молоді фахівці звикнуть застосовувати нарисну геометрію до графічних побудов і користуватися
нею для визначення елементів машин, за допомогою яких людина, використовуючи сили
природи, залишить за собою тільки роботу розуму».
Прикладне значення створеної ним науки Г. Монж позначив як «...мову, необхідну інженеру,
який створює якийсь проект, а також усім тим, хто має керувати його здійсненням».

6.

Паралельно з нарисною геометрією розвивалася інша мова геометричного
моделювання - аналітична геометрія.
Початок її створенню поклали роботи Р. Декарта (1596 – 1658), Н. І. Лобачевського
(1792 – 1856), Б. Рімана (1826 – 1866), Д. Гільберта (1862 – 1943) та ін.
Цікаво відзначити, що творець нарисної геометрії Г. Монж зробив внесок і в розвиток
аналітичної геометрії. Перші його роботи про рівняння циліндричних і конічних поверхонь
були опубліковані в 1770 р., а в 1804 р. він видав книгу під назвою «Застосування аналізу
в геометрії».
В аналітичній геометрії кожній точці поставлені у відповідність числа, які називають
координатами цієї точки, а лінії (криві) і поверхні розглядаються як геометричне місце
точок, координати яких задовольняють певним математичним співвідношенням.
Геометричні об'єкти, які можна описати мовою аналітичної геометрії, називаються
аналітично описуваними об'єктами. До таких об'єктів відносяться точка, пряма, коло,
еліпс, парабола, гіпербола, площина, поверхні другого порядку, тор, а також складні
геометричні об'єкти, утворені з декількох простих шляхом теоретико-множинних логічних
операцій об'єднання, перетину та доповнення.
До останньої третини ХХ століття вивчення аналітичної геометрії та робота з нею
залишалися долею вузького кола математиків, а інженери використовували у своїй роботі
креслення, тобто методи геометрії нарисної.
У сучасному виробництві методи аналітичної геометрії знайшли застосування для
створення систем комп'ютерного 3D-моделювання та засобів машинної графіки.
В даний час проблема комп'ютерного моделювання аналітично описуваних об'єктів
вирішена, що підтверджується стрімким поширенням в машинобудуванні систем
CAD/CAM/CAE,

7.

Однак, у промисловості велика кількість деталей, поверхні яких поки що умовно
прийнято вважати аналітично не описуваними.
У різних джерелах такі поверхні називають скульптурними, каркасними (дискретними
і безперервними), фасонними і складнофасонними, складними криволінійними,
поверхнями складних технічних форм, складнопрофільними.
Приклади аналітично не описуваних технічних об'єктів

8.

Ці геометричні об'єкти погано описуються як у нарисній, так і в аналітичній геометрії.
Традиційне креслення таких виробів виконати неможливо. Тому він випускався лише
із зазначенням деяких основних розмірів. Решта інформації розміщувалася в інших
джерелах, а саме:
● теоретичний плаз при плазово-шаблонному методі (літакобудування, суднобудування). Теоретичний плаз – це контур кількох перерізів виробу, викреслений у натуральну
величину на жорсткому носії (дюралюміній, фанера) та затверджений як еталон. Проблема
знаходження необхідного розміру вирішується його виміром на відповідному плазі
● таблиці координат точок плоских перерізів криволінійних поверхонь (лопаті та
лопатки турбін);
У автомобілебудуванні та виробництві побутових виробів такі поверхні не
проектувалися з економічних міркувань.
Усунення недоліків при виробництві таких виробів стало можливим при появі
комп'ютерних систем геометричного моделювання та сплайновій геометрії.
Термін сплайн (англ. Spline) походить від фізичного аналога. Так називалися гнучкі,
пружні рейки, які використовувалися як лекали для проведення гладких кривих через
задані точки. Цей сленговий термін ліг в основу потужної теорії сплайн-функцій, яка,
своєю чергою, породила новий напрямок в інженерній геометрії - сплайнову геометрію.
Вперше сплайн-функції були представлені математичному світу в 1946 році
американським вченим та інженером І. Й. Шенбергом, який працював у фірмі «Боїнг».
Найбільш відомими методами для моделювання кривих та поверхонь сплайнфункціями сьогодні є метод Безьє та метод В-сплайнів.
Обидва ці методи досить легко поширюються на випадок геометричного
моделювання поверхонь і, завдяки своїм перевагам, знайшли широке застосування в
сучасних системах CAD/CAM/CAE.

9.

Використання сплайнової геометрії для моделювання виробів
Потяг
Автомобіль
Лопатка
Застосування сплайнової геометрії при проектуванні зовнішніх обводів виробів
машинобудування крім забезпечення аеро- гідро- газодинамічних властивостей виробів,
забезпечує також найбільш повний облік естетичних та антропологічних потреб покупця,
покращує товарний вигляд, надає виробу витонченості, оригінальності та виразності,
забезпечуючи тим самим покращення ергономічних та показників якості продукції
А взагалі розвиток методів об'ємного геометричного моделювання відкриває
перед розробником необмежені можливості відтворення у віртуальному просторі
всього різноманіття навколишнього світу та дозволяє вбудовувати в нього моделі
майбутніх конструкцій, маніпулюючи ними як реальними матеріальними об'єктами.
І якщо ми говоримо, що комп'ютерне геометричне моделювання знаменує собою
початок нової ери людської діяльності, то в цьому немає жодного перебільшення

10.

Комп'ютерні 3D-моделі на різних етапах життєвого циклу виробів
Центральна роль 3D-моделі виробу
3D-моделі можуть використовуватися та створюватися на різних етапах життєвого
циклу виробу. Залишаючи осторонь етап маркетингу, розглянемо роль 3D-моделей,
починаючи з етапу проектування.
Прийом моделей з
інших CAD-систем
Моделювання деталей
та складальних
одиниць
Вирішення завдань
інженерного
аналізу
Модель виробу
Отримання фізичної
моделі на 3D-принтері
методами адитивного
виробництва
Проектування
технологічного
оснащення
Обмір виробупрототипу
Створення
креслень
Розробка
керуючих програм
для верстатів з ЧПК

11.

Проектування
На етапі концептуального проектування 3D-моделі можуть використовуватися для
представлення концептуальних рішень (наприклад, принципу функціонування механічного
пристрою), їх аналізу та подальшого відбору. На етапі робочого проектування 3D-моделі
служать основною формою подання геометричної інформації про виріб, дозволяють
проводити комп'ютерні інженерні розрахунки на міцність, довговічність, аналізувати
збирання деталей і вузлів, отримувати креслярську конструкторську документацію.
Мислення конструктора, що застосовує 3D-моделювання, відрізняється від мислення
конструктора, що працює лише з кресленнями. Ці відмінності полягають у наступному.
1. Думкові "образи креслень" замінюються "образами моделей", що розкріпачує
просторове мислення та сприяє більш швидкому прийняттю рішень.
2. Свобода у створенні складних геометричних форм і розуміння того, що ці форми
можуть бути легко реалізовані "в металі" за допомогою інтегрованих технологій,
стимулюють творчість, підвищують інтерес до роботи.
3. Використовуючи при проектуванні створену раніше модель схожого виробу
(виробу-аналогу), конструктор може іноді в десятки разів скоротити загальний час роботи
над проектом. Цей фактор сприяє упорядкуванню інформації про виконані розробки,
призводить до більшої систематизації мислення.

12.

Важливо також, що при 3D-проектуванні різко зменшується кількість помилок у
проекті. Це відбувається з таких причин:
• Конструктор може наочно бачити результат своєї роботи вже в процесі
проектування;
• Види креслення формуються на підставі моделі автоматично і тому виключаються
ситуації, коли інформація в одному вигляді не відповідає іншому;
• При проектуванні складальних одиниць є можливість перевіряти збирання та
виявляти помилки на рівні моделей.
Локальні або повні 3D-моделі використовуються як при концептуальному, так і при
робочому проектуванні для комп'ютерного інженерного аналізу конструкторських рішень,
що приймаються. Наприклад, аналіз міцності моделі пластмасового корпусу приладу
може виявити його «слабкі місця» і призвести до створення додаткових ребер жорсткості.
За потреби для аналізу конструкторських рішень на основі 3D-моделі може бути
створений фізичний прототип за допомогою 3D-принтера.

13.

Технологічна підготовка виробництва (ТПВ).
До появи засобів комп'ютерного 3D-моделювання вихідною інформацією етапу ТПВ
служила креслярсько-конструкторська документація. В даний час 3D-моделі
розглядаються як складова конструкторської документації на виріб. При цьому
з'являється можливість безпосереднього використання геометрії 3D-моделей задач ТПВ.
До таких завдань можна віднести:
● Проектування складної формоутворюючої оснастки та інструменту. Для виготовлення складних виробів необхідно спроектувати та виготовити велику кількість пристроїв,
прес-форм, штампів, різні види спеціального інструменту, а також нестандартне
обладнання. При вирішенні цих завдань роль 3D-моделей багато в чому подібна до їхньої
ролі на етапі проектування основного виробу.;
● Моделювання процесів формоутворення (лиття, штампування, кування та ін.) з
метою виявлення можливих дефектів та їх подальшого усунення, а також з метою
економії матеріалу;
● Формування програм обробки деталей складних форм на верстатах з ЧПУ;
● Побудова операційних ескізів розробки технологічних процесів.
Важливо відзначити, що роль 3D-моделей в ТПВ не обмежується використанням
моделі виробу та його компонентів. В ТПВ необхідно спроектувати і виготовити велику
кількість пристроїв, прес-форм, штампів, різні види спеціального інструменту, а також
нестандартне обладнання. При вирішенні цих завдань роль 3D-моделей багато в чому
подібна до їхньої ролі на етапі проектування основного виробу.
Ще один аспект використання 3D-моделей у сфері ТПВ – це створення 3D-моделей
складного технологічного обладнання з метою віртуального моделювання процесу
обробки. Таке моделювання дозволяє виявити та усунути можливі колізії (зіткнення) у
системі «верстат – пристосування – інструмент – деталь».

14.

Технологічна підготовка виробництва
• Проектування формоутворюючої
• Моделі штампів та прес-форм;
оснастки та інструменту – прес-форм,
штампів та електродів;
• Моделі пристосувань;
•Моделювання процесів формоутворення (лиття, штампування, кування
та ін.) з метою виявлення можливих
дефектів та їх подальшого усунення, а
також з метою економії матеріалу;
• Моделі проектованого
нестандартного обладнання;
•Формування програм обробки
деталей на верстатах з ЧПК;
• Моделі різального, допоміжного
та вимірювального інструменту;
• Моделі операційних заготовок;
• Моделі технологічного
обладнання з ЧПК
•Побудова операційних ескізів
розробки технологічних процесів
3D модели,
полученные на этапе
проектирования
Собственные
3D модели

15.

Виробництво
Тут моделювання використовується для аналізу та оптимізації виробничих процесів.
Наприклад, у роботизованій лінії зі збирання складного виробу необхідний не тільки
контроль зіткнень, а й тимчасова синхронізація дій окремих роботів та людей. Створивши
3D-моделі технологічного обладнання та використовуючи систему віртуального
моделювання виробничих процесів, можна вирішувати ці завдання.
Підприємство отримує можливість моделювати процеси виготовлення виробу
паралельно з його проектуванням, оперативно враховуючи конструктивні зміни, що
виникають, множинність версій і виконань виробу, обмеження, що накладаються
обладнанням і людським фактором. Це дозволяє суттєво скорочувати терміни розробки
та запуску у виробництві нових виробів, підвищувати їх якість та технологічність.
Реалізація
Тут 3D моделі можуть використовуватися для створення слайдів та анімаційних
фільмів, що вигідно представляють створений виріб і пояснюють принципи його роботи.
Ці слайди та фільми можуть використовуватись у комерційних пропозиціях або для
рекламних цілей.
Експлуатація
3D моделі можуть, як і для етапу реалізації, використовуватися для створення
слайдів і анімаційних фільмів, які, у свою чергу, використовуються в якості елементів або
складових частин експлуатаційної документації.

16.

Етап виробництва
Планування процесів виробництва
виробу та необхідних для них
ресурсів
Оптимізація складу виробничих
ресурсів та процесу складання
виробу шляхом реалістичної імітації
та оцінки виробничого процесу
Моделювання роботизованих ліній
складання та зварювання з великою
кількістю роботизованих осередків
Реально-тимчасова підтримка
персоналу, який бере участь у
виробничому процесі
Врахування людського фактора при
виробництві складних виробів
шляхом використання моделей
людини (манекенів) та імітаційного
моделювання виробничих процесів

17.

Ремонт та обслуговування
Тут 3D-моделі можуть використовуватися для створення так званих інтерактивних
електронних технічних посібників (ІЕТП), які детально пояснюють процеси ремонту та
обслуговування виробу. ІЕТП найбільш затребувані стосовно наукомістких видів продукції.
Справді, важко і навіть неможливо уявити ремонт та обслуговування літака чи двигуна
без відповідної технічної документації.
ІЕТП призначені для вирішення наступних завдань:
• забезпечення користувача довідковими матеріалами про влаштування та принципи
роботи виробу;
• забезпечення користувача довідковими матеріалами, необхідними для експлуатації
виробу, виконання регламентних робіт та ремонту виробу;
• забезпечення користувача інформацією про технологію виконання операцій з
виробом, про потребу в необхідних інструментах та матеріалах, про кількість та
кваліфікацію персоналу;
• підготовка та реалізація автоматизованого замовлення матеріалів та запасних
частин;
• планування та облік проведення регламентних робіт;
• обмін даними між споживачем та постачальником.
Як додатки до ІЕТП розробляються питання організації експлуатації складних
технічних об'єктів штатним обслуговуючим персоналом, ілюструються алгоритми дій
конкретних операторів (у тому числі при аварійних ситуаціях та при ліквідації аварій).
Утилізація
Коли термін служби складного виробу закінчено, воно має бути піддане утилізації,
яка є регламентованим процесом. Цей процес може бути забезпечений інструктивними
матеріалами у формі ІЕТП, розробленими на основі використання 3D-моделей.

18.

Пост виробничі етапи ЖЦВ
(експлуатація, ремонт, утилізація)
3D моделі можуть використовуватися для створення так званих
інтерактивних електронних технічних посібників (ІЕТП)
Завдання, які вирішуються за допомогою ІЕТП
забезпечення користувача довідковими
матеріалами про влаштування та принципи
роботи виробу;
забезпечення користувача довідковими
матеріалами, необхідними для експлуатації
виробу, виконання регламентних робіт та
ремонту виробу;
забезпечення користувача інформацією про
технологію виконання операцій з виробом,
про потребу в необхідних інструментах та
матеріалах, про склад персоналу;
підготовка та реалізація автоматизованого
замовлення матеріалів та запасних частин;
планування та облік проведення
регламентних робіт; обмін даними між
споживачем та постачальником.

19.

Таким чином, 3D-моделі використовують практично на всіх етапах ЖЦВ.
Проте роль 3D-моделей найбільша на етапах проектування та технологічної
підготовки виробництва виробів, які можна об'єднати в етап конструкторськотехнологічної підготовки виробництва (КТПВ). Тому основна увага далі
приділяється методам та засобам створення та використання 3D-моделей при
вирішенні різних завдань КТПВ.