Трехмерное моделирование средствами DesignSpark Mechanical

№ 3’2015
PDF версия
Активное развитие «трехмерных принтеров» и аппаратных платформ начального уровня привело к появлению средств, позволяющих совмещать в единой среде электронные компоненты и конструкцию устройства. В статье рассматриваются особенности бесплатной САПР DesignSpark Mechanical от RS Components и Allied Electronics, ее возможности, основное назначение и области предпочтительного использования.

Введение

Трехмерное моделирование достаточно основательно вошло в повседневную жизнь, и будь то мультипликация, компьютерные игры или фильмы, третье измерение уже не кажется чем-то особенным и непостижимым. С другой стороны, ключевая роль трехмерной модели как в производстве, так и вообще в жизненном цикле изделия стала неоспоримой сравнительно недавно.

Хотя системы трехмерного моделирования и развиваются уже не одно десятилетие, но из-за ресурсоемкости процесса разработки CAD-систем (ориентировочная сложность разработки CAD-системы составляет 500–1000 чел./лет) существует всего несколько базовых графических ядер. Однако в XXI в. мощности компьютеров стало достаточно для исследования новых областей, и стали появляться средства моделирования с различными возможностями. Принципиальным отличием систем, которые появились на первых порах данного направления, было бесплатное их распространение. При этом различались системы с полностью бесплатной и открытой моделью распространения (Open Source) и системы, которые на некоммерческой основе предлагали только базовый функционал с возможностью платного «апгрейда» до «профессиональной версии». Системы класса Open Source в своем большинстве хотя и предоставляют достаточно большой функционал на некоммерческой основе, но для рядового пользователя, использующего в своей работе только офисные средства, являются излишне сложными и отпугивающими.

В начале 2000‑х годов стали появляться системы, которые обеспечивали профессиональный функционал, не перегружая пользователя лишними деталями. Такие системы базировались на существующих средствах моделирования, но обладали принципиальным отличием: они не имели дерева построения, поэтому любая часть модели могла редактироваться без риска появления ошибок, нарушений целостности или полного разрушения модели. Среди профессиональных пользователей CAD-систем такие средства не получили достаточно широкого развития, так как упрощение процесса пагубно влияло на выстроенные за многие годы подходы к моделированию. С другой стороны, для рядовых пользователей, которые ранее не работали с системами моделирования, такой подход позволил значительно снизить планку входа.

В 2013 г. компании RS Components [1] и Allied Electronics, которые являются одними из крупнейших глобальных дистрибьюторов в электронной промышленности, выпустили новую систему трехмерного моделирования под названием DesignSpark Mechanical на базе САПР параметрического моделирования SpaceClaim.

DesignSpark Mechanical [2] — это бесплатная система прямого трехмерного моделирования без дерева построения, применяемая при разработке приборов и других электронных устройств, обладающая достаточно интересными, а в некоторой степени и уникальными возможностями. Эта программа полезна не только инженерам-механикам, но и инженерам-электронщикам, которые пользуются электронной САПР DesignSpark PCB для создания схем и печатных плат своих приборов [3].

 

Основные возможности и особенности DesignSpark Mechanical

Ключевой особенностью системы DesignSpark Mechanical можно считать минимализм. Объясняется такая ситуация тем, что DesignSpark Mechanical представляет собой переработанную версию CAD-системы SpaceClaim. При этом из нее заимствованы стиль приложения, базовый инструментарий моделирования и общий подход к проектированию изделия. Существенное сокращение возможностей и стало одним из аспектов, позволивших сделать DesignSpark Mechanical бесплатной системой. Другим аспектом стала тесная связь с ресурсами RS Components.

DesignSpark Mechanical обладает эргономичным интерфейсом, доставшимся ей от SpaceClaim, и представляет собой систему моделирования на основе тел, сформированных из эскизов. Эти тела могут взаимодействовать между собой произвольным образом. Так, например, можно одним и тем же эскизом сделать элемент выдавливания или вырез за счет определения направления смещения. Вновь образованные элементы могут быть деформированы произвольным образом, то есть не только в перпендикулярном по отношению к эскизу направлении, но и в других направлениях, например в плоскости эскиза. В результате каждый атрибут геометрии изделия может модифицироваться без воздействия на другие атрибуты.

В DesignSpark Mechanical схема проектирования модели проще по сравнению с традиционной, базирующейся на использовании дерева построения. Так, большинство элементов получается путем смещения поверхностей или отдельных ребер на нужную длину. При этом основа модели, заложенная в виде эскиза, может также меняться с последующим динамическим отображением изменений. Общая геометрия рассчитывается за счет взаимного сопряжения тел. Все новые поверхности, которые возникают в процессе построения, также могут быть модифицированы. Таким образом, процесс построения становится интуитивным. Например, построение модели, представленной на рис. 1, занимает в системе около 2–3 мин, в то время как для построения аналогичной модели в CAD-системах потребовалось бы в 2–10 раз больше времени — в зависимости от навыков специалиста.

Пример модели, построенной в DesignSpark Mechanical

Рис. 1. Пример модели, построенной в DesignSpark Mechanical

Такой подход позволяет новичкам очень быстро освоиться с системой и начать строить модели, постепенно переходя на геометрию большой сложности. Однако именно в сфере моделей сложной формы и лежит одна из ключевых проблем подхода, так как не только инструментарий сильно ограничен, но и отсутствует явная связь между выполняемыми действиями и получаемой геометрией. То есть не всегда можно точно определить последствия выполняемого действия и необходимую последовательность для построения требуемых элементов. Так, например, построение конуса уже становится задачей, требующей более детального изучения системы.

 

Инструментарий моделирования системы DesignSpark Mechanical

Среди основных инструментов трехмерного моделирования, доступных в DesignSpark Mechanical, следует выделить:

  • Построение эскиза. Стандартные средства для рисования эскизов (рис. 2) отличаются от CAD-систем отсутствием возможности назначения привязок между элементами. Вместо этого используются наборы привязок.
Построение эскизов в DesignSpark Mechanical

Рис. 2. Построение эскизов в DesignSpark Mechanical

  • Инструменты смещения (относятся к эскизам и поверхностям). Позволяют смещать (рис. 3а) поверхности в одном из направлений (перпендикулярно поверхности), тем самым создавая тело или отверстие (рис. 3б). При использовании дополнительных настроек смещения возможно создавать тела с деформацией (например, цилиндр с деформацией наклона превращается в усеченный конус).
Различные варианты смещения поверхностей при построении моделей

Рис. 3. Различные варианты смещения поверхностей при построении моделей

  • Инструменты деформации кромок (относятся к границам эскизов или к граням на теле модели). Позволяют перестраивать эскиз или элемент тела путем смещения в плоскости (рис. 4). Так, например, может быть изменен диаметр отверстия или создан радиус скругления.
Деформация модели за счет смещения внешних кромок

Рис. 4. Деформация модели за счет смещения внешних кромок

  • Инструменты преобразования форм. Позволяют разбить тело на элементы, которые впоследствии будут редактироваться отдельно. При разбиении плоскостей формируются четыре части в одной плоскости. Каждая такая часть может быть смещена отдельно. Также к данным инструментам относятся средства формирования оболочки (рис. 5а, б) в одном из элементов модели или «скручивание» плоскостей.
Модель до применения инструмента формирования оболочки;

Рис. 5. Модель:
а) до применения инструмента формирования оболочки;
б) после применения инструмента формирования оболочки

  • Инструменты контроля. Могут применяться к различным кромкам, поверхностям и телам для определения размеров или расчета расстояний. Контроль может осуществляться как с использованием выносок по каждому элементу, так и за счет формирования трехмерных аннотаций на модели. Также элементы могут быть внесены в BOM (Bill of Material — спецификация продуктов), если они заимствованы из каталога RS Components (рис. 6).
Панель инструментов для взаимодействия с механизмом BOM и расстановки размеров

Рис. 6. Панель инструментов для взаимодействия с механизмом BOM и расстановки размеров

 

Интеграция трехмерного моделирования и подбора электронных компонентов средствами DesignSpark Mechanical

Принципиальным отличием системы от других средств трехмерного моделирования является ориентация на проектирование электронных устройств и тесная интеграция с сервисами RS Components. При этом взаимодействие не нацелено на загрузку созданной модели на сайт разработчика для отображения в Интернете, как это достаточно широко распространено среди множества сервисов трехмерного моделирования. Ключевой особенностью взаимодействия с сайтом разработчика является возможность подбора электронных компонентов или элементов крепежа для добавления в среду моделирования и последующего редактирования или сопряжения с построенными моделями.

Трехмерные модели компонентов хранятся в обширном каталоге (рис. 7), имеющем достаточно подробное описание.

Каталог электронных компонентов, представленный в базе RS Components

Рис. 7. Каталог электронных компонентов, представленный в базе RS Components

При таком взаимодействии возможно выбирать компоненты не только по электронным характеристикам, но и по точным размерам, непосредственно влияющим на сборку прибора в едином корпусе (рис. 8).

Совмещение трехмерной модели электронных компонентов с конструкцией устройства на примере миниатюрного компьютера Raspberry Pi

Рис. 8. Совмещение трехмерной модели электронных компонентов с конструкцией устройства на примере миниатюрного компьютера Raspberry Pi

При построении на основе компонентов из библиотеки пользователь может использовать специализированный механизм BOM, который анализирует структуру проекта и формирует спецификацию на компоненты с определением их цены. Таким образом, в одной системе моделирования можно перебрать различные варианты компоновки элементов и учесть их габариты, количество, стоимость и форму. В результате можно подобрать набор элементов (за счет большой базы аналогов) и сформировать проект с заданными требованиями.

 

Применение DesignSpark Mechanical

В первую очередь система DesignSpark Mechanical предназначена для инженеров‑разработчиков в области электроники, механики, пневматики, гидравлики, автоматики, студентов соответствующих специальностей, энтузиастов и любителей электроники. Электронщик, создавший схему и печатную плату своего устройства в электронной САПР DesignSpark PCB, может спроектировать корпус для него в механической САПР DesignSpark Mechanical.

Интуитивно понятный интерфейс DesignSpark Mechanical, а также подход к организации проектов и набор инструментов обеспечивают простоту освоения системы и быстрое создание требуемых моделей. Кроме этого, можно выделить ряд ключевых особенностей системы:

  • использование прямого моделирования;
  • большое количество готовых моделей электро- и радиокомпонентов;
  • возможность создания BOM;
  • прямой вывод получившейся модели на 3D-принтер.

Весь инструментарий и среда моделирования направлены на поддержание пользователя при решении его задач. Такая эргономичность неудивительна, если учесть, что в качестве основы системы DesignSpark Mechanical используется проект SpaceClaim, лидером которого является Майкл Пэйн (Michael Payne), в прошлом один из создателей SolidWorks, успевший за свою карьеру поработать главным технологом в Dassault Systemes, и тем самым оценить сферу CAD-моделирования с разных сторон.

DesignSpark Mechanical может экспортировать модели в формат STL для печати на 3D-принтере. Несмотря на то, что большинство средств трехмерного моделирования тоже позволяет осуществлять подобный экспорт, DesignSpark Mechanical положительно выделяется на их фоне за счет гибкой настройки точности сохранения для получения максимального качества модели и минимального размера выходного файла.

DesignSpark Mechanical может применяться для создания визуальных набросков, проектирования компоновок электронных устройств или подготовки моделей для быстрого прототипирования. Именно профессиональное решение последней задачи на уровне, свойственном «легким» CAD-системам, и позволяет рекомендовать DesignSpark Mechanical при подготовке моделей для оборудования быстрого прототипирования. Система отлично подходит также для проектирования устройств с электронной начинкой, включая импорт сборок печатных плат в формате IDF, доступный в системе, так как весь функционал, который достался системе от SpaceClaim, заточен именно под эту задачу. Отдельно стоит отметить использование системы для изучения основ CAD-моделирования и освоения инструментария с целью последующего перехода на использование профессиональных CAD-систем.

Продолжение статьи.

Литература
  1. rsrussia.ru
  2. designspark.com
  3. Кривандин C. Что такое DesignSpark? Комплекс бесплатных САПР! // Компоненты и технологии. 2014. № 12.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *