Виртуальная реальность и САПР

Сегодня виртуальная реальность - одно из наиболее перспективных и успешно развивающихся направлений машинной графики. Технология виртуальной реальности обеспечивает высокореалистичное моделирование трехмерного пространства и поддерживает динамическое интерактивное взаимодействие с пользователем, создающее эффект погружения в моделируемое киберпространство. В данной статье рассматривается одно из применений виртуальной реальности, связанное с автоматизированным проектированием, а именно средства виртуального макетирования и их реализация в системе EDS Unigraphics Fly-Through.

Начало развитию средств виртуальной реальности было положено в исследованиях, проводившихся в рамках создания летных тренажеров. Соответственно первые приложения новой компьютерной технологии были связаны с имитацией функционирования летательных аппаратов, космических кораблей, автомобилей и других сложных систем. Довольно быстро методы виртуальной реальности нашли применение и в сфере развлечений. Однако высокая стоимость соответствующих аппаратных и программных средств сужала круг их возможных практических применений. Сегодня ситуация заметно изменилась. Интенсивное развитие аппаратных средств, их общее удешевление способствовали более широкому распространению систем виртуальной реальности. Сегодня наряду с тренажерами, компьютерными играми, кино и анимацией виртуальная реальность используется в системах автоматизированного проектирования, медицине, здравоохранении, маркетинге, обучении и других областях. По существу, технология виртуальной реальности представляет собой новый тип интерфейса, который качественно меняет способы взаимодействия человека с компьютером. И это, надо полагать, окажет влияние на все без исключения сферы компьютерных приложений.

Система UG представляет собой интегрированный комплекс CAD/CAM/CAE, который обеспечивает автоматизированную поддержку всех этапов разработки сложных изделий и конструкций, включая проектирование, инженерный анализ и подготовку к производству. Каждому из этапов соответствует свой набор функциональных модулей. Модули объединены общим интерфейсом и базой данных, в которой хранится полное описание проектируемого изделия - главная или мастер-модель.

Уже на начальных стадиях проектирования происходит уточнение и детализация конструкции, необходимые при переходе от одного этапа к другому. Пакет Unigraphics поддерживает параллельное проектирование - все этапы разработки деталей, узлов и сборок могут выполняться одновременно группой специалистов различных профилей. Система обеспечивает актуальность главной модели и параллельный доступ к базе данных в распределенной среде проектирования. Как известно, параллельный режим разработки изделий способствует существенному сокращению сроков внедрения новой продукции.

Однако узким местом в создании новых изделий может оказаться заключительный этап, связанный с изготовлением и тестированием опытных образцов или макетов. Изготовление физического макета начинается только после завершения всех предыдущих этапов проектирования и подготовки производства. Вполне возможно, что в результате тестирования опытного образца могут обнаружиться ошибки и недочеты, которые были допущены на ранних этапах разработки. Исправляя такие ошибки, приходится возвращаться назад, и это может заметно затормозить процесс выпуска новых изделий. Одним из эффективных средств решения данной проблемы является применение систем виртуального макетирования.

Bиртуальный прототип - это интегрированное цифровое представление изделия и его cвойств, которое отражает пространственное взаимодействие компонентов и позволяет оценить работоспособность конструкции в целом. Виртуальный макет формируется по данным главной модели. Программное обеспечение виртуального макетирования, основанное на современных технологиях виртуальной реальности, позволяет заменить физический прототип изделия его виртуальным аналогом и в процессе компьютерного анализа электронного образца решать те задачи, для выполнения которых раньше требовались натурные испытания. В отличие от физического макета, который может быть изготовлен только после завершения всех этапов проектирования и подготовки производства, виртуальный прототип создается сразу после выработки основных требований к изделию и формирования его концептуальной модели. Далее при детализации главной модели модифицируется и виртуальный прототип. Таким образом, процесс проектирования нового изделия сопровождается виртуальным макетированием, что позволяет проводить тестирование параллельно с разработкой и тем самым своевременно обнаруживать и исправлять возможные ошибки.

Еще на этапе концептуального проектирования использование виртуального макета позволяет провести анализ альтернативных подходов и выбрать наиболее верное решение. При конструировании виртуальное макетирование помогает оценить внешние формы частей, их стыковку и согласованность друг с другом в рамках единого изделия. Применение виртуальных макетов повышает наглядность и упрощает процесс управления проектированием изделий в распределенной среде корпоративной сети. В рамках подготовки производства средства виртуального моделирования позволяют в реальном времени проконтролировать все технологические этапы изготовления узлов и сборок, оценить качество разработанной оснастки. Виртуальное макетирование расширяет возможности использования мастер-моделей изделий, распространяя их применение также на сферу маркетинга, продаж, сопровождения и обучения. Заказчик получает возможность использовать макет не только в маркетинговых, но и в инженерных целях в тех случаях, когда приобретаемый узел или изделие является частью его собственной продукции.

Система виртуального макетирования Virtual Mockup

Данная система, предоставляющая пользователям средства интерактивного динамического моделирования сложных многокомпонентных изделий, входит в состав пакета EDS Unigraphics. Для обеспечения решения таких задач, как визуализация, сборка/разборка узлов, функциональное тестирование изделий и компонентов, в пакет EDS Unigraphics включены средства виртуальной реальности. Новые возможности обеспечивают параллельную работу специалистов различных профилей с электронным прототипом и позволяют сэкономить время и материальные ресурсы, затрачиваемые на изготовление натурных макетов.

По своему функциональному назначению средства виртуального макетирования можно разбить на четыре группы. К первой относятся средства визуализации, обеспечивающие возможность визуального анализа прототипа с учетом различных видов освещения и нанесения текстуры. Вторую группу составляют средства функционального моделирования, предназначенные для оценки рабочих характеристик проектируемого изделия. В третью входят средства моделирования технологических процессов сборки многокомпонентных изделий и проверки взаимодействия их составных частей. Наконец, четвертую группу образуют средства моделирования работы оператора, которые позволяют оценить, насколько удобно новое изделие в эксплуатации и обслуживании.

Все перечисленные возможности реализованы в системе виртуального макетирования UG Virtual Mockup, которая включает несколько функциональных модулей: UG/Reality, UG/Fly-Through, UG/webFly и UG/Manikin. UG/Reality позволяет по модели сборки создавать электронный макет и в интерактивном режиме моделировать его поведение. UG/Manikin дает возможность дополнять электронный макет манекенами, которые могут использоваться для различных целей, в частности при моделировании работы операторов. UG/Fly-Through предоставляет интерактивные средства визуализации больших сборок, а также позволяет осуществлять просмотр динамических процессов, моделируемых с помощью UG/Reality. UG/webFly обеспечивает выполнение функций UG/Fly-Through в сети, что очень удобно для организации работы коллективов проектировщиков, физически распределенных по разным офисам.

Система виртуального макетирования Virtual Mockup поддерживает различные аппаратные платформы SGI, Wintel, HP и масштабируема от станций с обычными 2D-дисплеями до систем виртуальной реальности полного погружения, поставляемых Division Inc.

Средства описания узлов и сборок

Основой для создания виртуального макета изделия служат данные мастер-модели, сформированной с помощью модулей проектирования сборок UG/Assembly Modeling и UG/Advanced Assemblies. Эти модули обеспечивают создание и редактирование изделий сложной структуры, содержащих до нескольких тысяч различных компонентов.

Модуль UG/Assembly Modeling поддерживает технологию проектирования узлов сверху вниз и позволяет конструировать отдельные подсистемы в контексте всей сборки. Здесь используется ассоциативность компонентов и деталей, их гибкое сопряжение и позиционирование, что повышает производительность и снижает затраты памяти. Параметрическое моделирование, поддерживаемое UG/Assembly Modeling, обеспечивает дополнительные возможности для более точного описания условий стыковки, задания спецификации общих деталей крепежа и дублируемых частей.

Средства UG/Advanced Assemblies позволяют проводить статический анализ взаимодействия составных частей изделия. При этом может использоваться как точное твердотельное описание или представление детали через поверхности, так и полигональное сеточное представление. Средства фильтрации, включенные в модуль UG/Advanced Assemblies, позволяют, загрузив в систему полное описание изделия, вести работу с его приближенным представлением, в котором детализированы только объекты, непосредственно используемые для решения конкретной задачи. Это позволяет ускорить процесс выполнения сложных операций над многокомпонентными сборками.

Модули виртуального макетирования расширяют средства статического анализа UG/Advanced Assemblies, дополняя их новыми динамическими возможностями. Средства виртуального макетирования дают реалистичные представления того, как в действительности будет выглядеть и функционировать проектируемый объект. Применение виртуального макетирования способствует значительному сокращению времени, затрачиваемого на просмотр, модификацию и доводку изделий. Программные средства UG Virtual Mockup обеспечивают высокую скорость получения изображения для полигонального представления макета изделия, сформированного с помощью UG/Advanced Assemblies. Качественный рендеринг и высокая производительность визуализации достигается в мультипроцессорных системах, имеющих аппаратную поддержку отображения текстур.

Средства виртуального макетирования поддерживают коллективную работу в рамках локальных и региональных сетей. Это позволяет разработчикам изделия, специалистам по маркетингу, управлению и рекламе, а также заказчикам вести совместную работу по анализу и тестированию виртуального макета проектируемого изделия. Каждый пользователь сети имеет доступ к текущей версии макета, отражающей последние изменения конструкции, может выбирать собственную точку наблюдения и задавать свои параметры просмотра. Кроме того, он имеет обратную связь с задачей, что позволяет оказывать непосредственное влияние на ее решение.

Средства виртуального моделирования UG/Reality и UG/Manikin

Модуль UG/Reality предназначен для моделирования поведения виртуальных макетов изделий, процессов сборки и обслуживания узлов, анализа стыковки и взаимного влияния деталей и компонентов сборок. Виртуальный макет создается с помощью UG/Reality по данным мастер-модели. Средства UG/Reality обеспечивают выполнение измерений и тестов, аналогичных тем, которые выполняются при испытаниях физических прототипов. Пользователи имеют возможность программировать поведение макета, определяя его реакцию на действие различных органов управления: функциональные кнопки, переключатели, индикаторы и т. д. Это позволяет инженеру не только осуществлять пассивный осмотр макета, но и активно взаимодействовать с ним, например, нажатием на функциональную кнопку меню приводить в действие механизм или открывать/закрывать крышки прибора. Реалистичность восприятия достигается за счет обеспечения высокого качества изображения с учетом свойств материалов и текстур.

Модуль UG/Reality поддерживает работу со стереоочками Crystal Eyes компании Stereo Graphics и позволяют создавать анимационные ролики, отражающие пошаговый процесс сборки/разборки узлов и осмотра отдельных деталей. Эти ролики впоследствии могут быть просмотрены с помощью модулей UG/Fly-Through и UG/webFly - пользователь в реальном режиме времени выбирает, перемещает и соединяет вместе детали. При этом заранее могут накладываться ограничения на возможные пределы и направления движения. UG/Reality предоставляет средства для анализа зазоров и пространственных взаимоотношений между деталями сборок. Он позволяет быстро выявлять помехи, возникающие при работе устройств или в процессе сборки/разборки узлов. Взаимодействие частей сборки проверяется в процессе моделирования их движения. Для обнаружения столкновений в реальном масштабе времени используются средства численного анализа MSC/NASTRAN.

Модуль UG/Manikin предоставляет средства анимации виртуальных людей. Он расширяет возможности UG/Reality и позволяет моделировать поведение оператора, обслуживающего проектируемое изделие, или рабочего, выполняющего сборку/разборку узлов. С помощью манекенов можно определять границы сферы обзора и доступность участков крепежа деталей, анализировать технологию монтажа и эксплуатации проектируемых устройств. Пользователь может также управлять поведением манекенов, которые доступны для визуализации средствами модулей

Модули динамической визуализации UG/Fly-Through и UG/webFly.

UG/Fly-Through предоставляет средства для динамической визуализации виртуального макета в распределенной среде, объединяющей большую группу разработчиков. Модуль обеспечивает актуальность данных и немедленный отклик для всех членов группы. В UG/Fly-Through используются модели нескольких уровней, что позволяет обеспечивать визуализацию состояния разрабатываемого узла на всех этапах проектирования, от эскиза до детальной проработки конструкций компонентов и сборок. Полигональное представление узлов может быть сформировано пользователем с применением средств UG/Advanced Assemblies либо получено автоматически с помощью специальных конвертеров, входящих в состав UG Virtual Mockup.

Пользователь имеет возможность виртуального осмотра макета с использованием таких диалоговых устройств ввода, как мышь и спейсбол. Для быстрой навигации можно заранее определить последовательность позиций интересующих точек наблюдения, а затем в автоматическом режиме осуществить их обход. С помощью UG/Fly-Through можно просматривать созданные в UG/Reality анимационные ролики, отражающие процесс моделирования поведения макетов узлов и деталей.

Модуль UG/Fly-Through обеспечивает работу со стереоочками CrystalEyes, которые позволяют получать объемные изображения на стандартных дисплеях рабочих станций. С помощью CrystalEyes пользователи работают с реалистичными изображениями, которые точно передают пространственные характеристики моделируемых изделий, их высоту, ширину и глубину. Устройства CrystalEyes имеют высокую частоту переключения стереопары (120 раз в секунду) и обеспечивают качественное цветное стереоизображение с высоким разрешением, отсутствием мерцания и быстрым откликом на воздействия пользователя. Мало того, CrystalEyes позволяет взаимодействовать с виртуальным миром, не прибегая к помощи манипулятора мышь, джойстика или клавиатуры. Встроенные ультразвуковые датчики позволяют оценивать положение головы наблюдателя и соответствующим образом изменять перспективу изображения, выводимого на экран дисплея. Беспроводные датчики не стесняют движений пользователя при ориентации в пространстве по шести степеням свободы.

В пакете Unigraphics c электронным макетом в реальном режиме времени могут работать одновременно несколько пользователей, поэтому UG/Fly-Through поддерживает коллективные сессии. Пользователи обмениваются информацией через несколько серверов и, кроме того, могут размещать свои комментарии непосредственно на макете. Для удобства работы с большими узлами и сборками UG/Fly-Through предлагает навигатор модели, обеспечивающий графическое представление дерева построений модели с указанием всех элементов, операций и взаимоотношений между деталями.

UG/webFly - это встроенное в программу типа Netscape приложение, которое предоставляет подмножество функций UG/Fly-Through пользователям рабочих станций Windows NT или Unix. Специалисты, подключенные к корпоративной сети, но не входящие в состав проектной группы, имеют возможность с помощью средств UG/webFly просматривать виртуальный макет изделия и знакомиться с результатами его моделирования, выполненного в UG/Reality. В отличие от UG/Fly-Through модуль UG/webFly не позволяет просматривать структуру сборки, вносить комментарии к макету и участвовать в коллективных сессиях.

Технологии виртуального макетирования, реализованные в системе Unigraphics, дают дополнительные преимущества при организации интегрированного процесса проектирования. Новые возможности пакета для работы с виртуальными изделиями уже успели оценить компании Boeing, DAF, General Electric, McDonnall Douglas, Pratt&Whitney, Opel, Philips, Bosch, Moulinex.

Крупнейшим пользователем UG является General Motors. Так, одно из его подразделений, специализирующееся на выпуске железнодорожных локомотивов, Electro-Motive Division (EMD), использует пакет с 1992 года. Применение средств автоматизации позволило EMD сократить срок разработки новых моделей тепловозов и электровозов до трех лет. Использование полной электронной модели изделия обеспечивает возможность проведения анализа и способствует быстрому внесению необходимых изменений, а виртуальное моделирование, проводимое параллельно с основной разработкой, гарантирует правильную работу всех узлов и механизмов, что позволяет значительно сократить время и ресурсы, затрачиваемые на физическое макетирование.

При проектировании локомотивов нужно учитывать не только технические, но и весьма жесткие эргономические требования. На различных этапах проектирования модель будущего локомотива обсуждается с заказчиком, при этом средства виртуального макетирования способствуют лучшему взаимопониманию между дизайнерами и заказчиками и помогают избежать разногласий, нередко возникавших слишком поздно - уже при приемке готовых изделий. Производство локомотивов - это весьма дорогостоящая отрасль, объединяющая большое количество заводов, конструкторских бюро и проектных организаций. Сетевые возможности Unigraphics обеспечивают совместную параллельную работу специалистов различных организаций, географически удаленных друг от друга.

При описании средств автоматизированного проектирования стало уже традиционным в качестве аргументов в пользу той или иной CAD/CAM/CAE-системы приводить примеры ее успешного применения в таких отраслях, как авиастроение, автомобилестроение, тяжелое машиностроение и др. Однако, как показывает опыт корпорации Group Moulinex, использование CAD/CAM/CAE средств оказывает существенное влияние и на производство товаров народного потребления, в частности бытовой электротехники.

Group Moulinex специализируется на выпуске бытовых электротоваров для кухни. С 1989 года фирма сделала ставку на использование пакета EDS Unigraphics, применение которого, в том числе и благодаря средствам виртуального макетирования, позволило на 25% сократить время проектирования и запуска в производство новых моделей, уменьшив период разработки с 18-24 до 14 месяцев. Сегодня корпорация обновляет 30% всей линии своей продукции ежегодно.

Одна из последних разработок - электрофритюрница Supremia, дизайн которой демонстрирует преимущества использования компьютерных технологий. Supremia представляет собой сложную сборку, состоящую из комплектующих, изготавливаемых из различных типов материалов. В ее состав входят литые и пpессованные пластмассовые изделия, силиконовые части, фальцованные и штампованные металлические детали и электрические компоненты. Для изготовления сборок такой сложности требуются развитые средства ассоциативного моделирования и высокая степень интеграции процессов проектирования и подготовки производства. Все эти возможности предоставляет пакет UG.

Процесс создания модели Supremia занял 14 месяцев. В течение первых двух месяцев дизайнеры и инженеры совместно трудились над совершенствованием формы изделия, при этом учитывались как эстетические, так и технологические критерии. Активное использование распределенных средств фотореалистичной визуализации значительно ускорило процесс принятия решения. Дизайнеры, конструкторы, специалисты по маркетингу, рекламе и промышленным патентам имели возможность ознакомиться с виртуальным макетом будущего изделия, принять участие в его коллективном обсуждении и заранее подготовить рынок к появлению Supremia.

После утверждения эскиза началась работа над проектом, которую осуществляли одновременно четыре конструктора. Каждый из них отвечал за отдельную подсистему и имел доступ к общей электронной модели изделия. Все детали описывались трехмерными твердотельными моделями, а при создании узлов применялся метод проектирования сверху вниз, предполагающий задание отдельных компонентов в контексте всей сборки. Среда Unigraphics обеспечила возможность параллельной, согласованной работы конструкторов и технологов при анализе характеристик поверхностей изделия, определяющих траектории движения инструментов при механообработке, технологию создания пресс-форм и шаблонов при литье и формовке. Это позволило сразу на этапе конструирования максимально учесть требования технологии производства.

По мере завершения процесса создания узлов и сборок в работу включились сотрудники отделов технического контроля, представители заводов-изготовителей, специалисты, занимающиеся подготовкой технической документации и т. д. Очень важно, что каждый, кто работал над проектом, решая свои специфические задачи, имел наглядное представление о будущем изделии в виде его виртуального макета, отражающего самые последние изменения, внесенные в конструкцию. Использование средств виртуального моделирования облегчало выполнение необходимых измерений, проверок и тестов, а также способствовало лучшему взаимопониманию между специалистами смежных дисциплин.

Окончательному запуску производства Supremia предшествовал этап тестирования опытных образцов. Было изготовлено 10 полнофункциональных прототипов. Одновременно с их проверкой начался процесс изготовления необходимой оснастки. Специалисты Group Moulinex утверждают, что распараллеливание этих видов деятельности позволило на 25% сократить время, обычно затрачиваемое на подготовку производства. Это стало возможным благодаря использованию средств виртуального моделирования, которые обеспечили анализ и тестирование проекта на ранних этапах разработки, и позволили избежать ошибок, приводящих к необходимости переделки форм и шаблонов.

Мастер-модели, сформированные в системе Unigraphics, применялись и при изготовлении упаковки Supremia, что также ускорило ее выход на рынок.

В России система EDS Unigraphics используется в ОКБ им. С. В. Ильюшина, ОКБ им. П. О. Сухого, ОКБ им. В. М. Мясищева, ОАО "Авиадвигатель" [1], МВЗ им. М. Л. Миля, АО "АвтоВАЗ" [2].

Литература