Что такое параметрическая 3d модель
Параметрическое моделирование в САПР SolveSpace: Введение
Многие из нас в школе или университете посещали уроки черчения, но не многим из нас это нравилось. Часами возиться с линейкой, циркулем и плохо заточенным карандашом, пытаясь ровно и без помарок выводить размерные линии, бесконечные штриховки и странные формы, мало кому могло показаться интересным. Тем более, что к тому времени уже существовали компьютерные программы, способные автоматизировать это скучное, бессмысленное и беспощадное занятие. А настоящий прорыв в области проектирования деталей и подготовки конструкторской документации произошел в 1989 вместе с дебютом параметрического моделирования в Системе Автоматизированного Проектирования (САПР) Pro/Engineer.
Это — вводная статья к циклу статей «Параметрическое моделирование». Из этого цикла вы узнаете о внутреннем устройстве настоящего решателя геометрических ограничений, проблемах и их решениях на примере open-source САПР «SolveSpace». Кому не чужд мир трехмерного моделирования, добро пожаловать под кат! 
Модель ударно-спускового механизма РПГ-7, созданная в САПР SolveSpace
В основе параметрического моделирования лежит простая идея: выразить сложные геометрические формы изделий с помощью простых примитивов (entities), форма которых задается с помощью параметров (parameters) и отношений между ними. Параметрами могут быть координаты точек, величины углов, длин, радиусов окружностей или эллипсов. Отношения между параметрами называют ограничениями (constraints). Для инженера-конструктора такие ограничения выглядят как размеры или как геометрические отношения инцидентности (совпадения), параллельности, перпендикулярности или касательности простейших геометрических форм: точек, линий, окружностей, эллипсов и т. д. Совокупность примитивов, служащих основой для построения геометрического представления детали, называют эскизом (sketch). При таком подходе процесс построения эскиза сводится к формированию грубого наброска контура объектов и наложению таких ограничений, которые однозначно определяют значения параметров всех примитивов. Преимуществом такого подхода является то, что инженеру не требуется точно определять координаты всех объектов, достаточно указать лишь геометрические взаимоотношения между объектами, а всю работу по вычислению результирующих координат объектов выполнит решатель геометрических ограничений (geometric constraint solver) — основа параметрического подхода к моделированию. Именно наличие такого решателя отличает параметрические САПР от остальных.
SolveSpace
Подробности реализации системы параметрического моделирования будем рассматривать на основе open-source проекта SolveSpace, созданного Джонатаном Вэстью (Jonathan Westhues) и поддерживаемого в настоящее время сообществом open-source — разработчиков, в числе которых состоит и автор данной статьи, то есть я.
Среди всех проектов с открытым исходным кодом, SolveSpace обладает самой адекватной реализацией решателя геометрических ограничений. Решатель SolveSpace имеет си-подобный интерфейс и доступен для лицензирования и использования в коммерческих проектах. Основным преимуществом решателя, созданного Джонатаном, является символьный подход к записи исходных уравнений, что позволяет очень быстро и просто создавать новые ограничения, а также предоставляет возможность вычислять выражения в полях ввода значений. Еще одним преимуществом решателя SolveSpace является возможность единообразно решать как двумерные, так и трехмерные ограничения.
В качестве контр-примера можно привести встроенный решатель FreeCAD, который построен на других принципах, что вызывает ряд проблем. Одной из проблем является сложность добавления новых ограничений ввиду того, что приходится вручную записывать все частные производные уравнений. Но основным минусом решателя FreeCAD является его ограниченность областью проектирования двумерных эскизов, что негативным образом сказалось на функциональности FreeCAD — в нем до сих пор нет нормальной возможности делать трехмерные сборки деталей.
Эскиз (Sketch)
Несмотря на то, что SolveSpace является параметрической системой трехмерного моделирования, объемные тела создаются на основе набора двумерных контуров. Контуры в SolveSpace могут состоять из отрезков прямых, окружностей и их дуг, а также кубических сплайнов. Иерархически вложенные контуры становятся «дырками», а контуры, вложенные в “дырки” — снова становятся частью тел.
Пример эскиза
В SolveSpace возможно создание тел выдавливания (extrusion) и тел вращения (lathe), а все остальные тела можно получить объединением этих двух типов с использованием так называемых Булевых (Boolean) операций, которые являются основой Constructive Solid Geometry(CSG).
Пример тела выдавливания (extrusion)
Пример тела вращения (revolution, lathe)
Ограничения (Constraints)
Ограничения в параметрических САПР отличаются от размерных линий обыкновенных систем автоматизированного проектирования. Их основное отличие состоит в том, что изменение размерного значения меняет и сам эскиз, то есть ограничения предоставляют интерфейс двустороннего взаимодействия. Ограничения могут «измерять» размеры эскиза, то есть выполнять роль размеров “для справок” (reference). С другой стороны, ограничения могут изменять сам эскиз при изменении значения параметра ограничения. Это очень удобно, так как во множестве случаев инженеру-конструктору требуется создать документацию не единичного изделия, а целого семейства изделий, обладающих сходной формой, но различными значениями ряда размеров. К примеру, это могут быть обыкновенные гайки:
Эскизы гаек различного размера
Автоматическая перестройка чертежа при изменении некоторых параметров детали
В этом и состоит мощь параметрического моделирования: изменяя всего один или несколько параметров мы добиваемся полной перестройки всей модели, включая трехмерное представление и наборы видов на каждом из чертежей. Не нужно вносить тысячи правок, если необходимо изменить всего один размер — достаточно задать его новое значение и решатель геометрических ограничений рассчитает новые координаты объектов, а в случае ввода некорректных значений выдаст сообщение об ошибке.
Курс лекций по 3D печати. Лекция 8. Параметрическое моделирование.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Параметрическое — моделирование с указанием точных размеров, параметров и инструментов.
Самым перспективным инструментом для параметрического моделирования я считаю Dassault Solidworks. Однако, стоимость лицензии — для многих проблема. Мое ПО по-умолчанию — Autodesk Fusion 360.
Кому интересно — прошу внутрь.
Прошлая лекция рассказывала о программе SketchUp. Чем хорош Скетчап — быстротой с которой создается модель. Легкостью повторения элементов. Множеством подсказок: средняя точка, продолжение направления, «золотая пропорция» и т. д.
Для проектирования моделей «в размер» или «по чертежам» требуется иной подход — параметрическое моделирование. Оно отличается от эскизного тем, что все элементы модели создаются с привязкой друг к другу, к точке начала координат с указанием размеров и величин.
Моделирование во Fusion360 начинается с чертежей — Sketches — где вы создаете чертеж будущего изделия. Затем к чертежам применяются инструменты, создающие объемные тела-объекты. Затем к телам применяются модификаторы, например фаски, повороты, объединения и прочее. После этого можно задать точки соединения тел и прочие функции.
Удобство такого подхода к моделированию заключается в возможности на любом этапе изменить размеры в чертеже или в модификаторе, и Фьюжн360 автоматически пересчитает итоговую модель. Fusion360 очень эффективен для нужд прототипирования. Когда требуется систематически модернизировать модель.
Fusion360 значительно более ресурсоемкий, чем Sketchup. Менее дружелюбен к тач-паду. Значительно более функционален. Наличие мыши упростит вашу жизнь и ускорит моделирование.
Ориентация в пространстве осуществляется СКМ (средней кнопкой мыши), либо с помощью ориентационного куба в правом верхнем углу рабочей области.
Там же, чуть выше, вы найдете меню вашего профиля, в котором находятся Preferences. В нем можно переключить единицы измерений, какую статистику отправлять в глобальные корпорации, личные предпочтения по расположению осей и привычному управлению, а так же можно изменить качество графики под стать вашей видео-карте.
Теперь обратите внимание на браузер объектов, расположенный в левой части рабочего поля. Это еще один элемент навигации, не встречающийся в Sketchup. С помощью него можно легко и быстро применять инструменты к отдельным объектам, задавать видимость на рабочем поле. А так же делить композицию на отдельные компоненты. Как в СкетчАп, только значительно удобнее пользоваться.
Хорошей практикой считается начинать моделирование с создания отдельного компонента. А чертежи в корне проекта оставлять для общей композиции вашего проекта (для вспомогательных элементов).
Полезно и в этом ПО запомнить базовые горячие клавиши:
S — search — меню поиска и быстрого запуска инструментов.
L — line — прямая линия.
R — rectangle — квадрат начиная от центра
С — circle — круг начиная от центра.
M — move — перемещение/вращение.
Общий принцип моделирования прост: создай компонент — сделай чертеж в нужной плоскости — вытяни тела — модифицируй различными инструментами.
После чертежа приходит время вытягивания тел инструментами из блока Create, например E(xtrude) или Revolve (создание тел вращения).
Все примененные инструменты попадают на шкалу времени внизу экрана. Вы в любой момент времени можете изменить параметры примененных инструментов, например, изменить высоту вытянутого тела. И это изменение повлияет на всю шкалу времени, на конечный вид модели.
Освоение данного ПО целесообразно начинать с текущей задачи: моделирование детали «в размер», то есть повторение эскиза/чертежа. В отличие от Sketchup, скупой язык машинного черчения труден на первых порах, и потому я рекомендую обратиться к видеоурокам. Так же вам придется разобраться в различных вариантах расчета длин: Fusion 360 позволяет указывать длины различными способами, начиная от точных величин, до офсетов от указанного объекта.
Fusion360 имеет большую популярность. На youtube присутствует множество видео-уроков по эффективному использованию различных инструментов. В первый день освоения этой программы, мне очень помогло вот это видео от Рената Абайдулина. Количество инструментов в Fusion360 велико. Полезным будет осваивать их по мере надобности. Для этих целей посоветую канал Дядя Паша Fusion 360 и канал Ларса Кристенсена.
Подводя итог данной лекции, скажу что Fusion360 эффективен при проектировании «по чертежам заказчика», для точного следования размерам, для моделирования деталей механизмов и подобного, при прототипировании.
Кроме того, Fusion360 обладает функционалом свободного изменения формы (режим sculpt), режимом специально адаптированным для фрезеров с ЧПУ (manufacture) и многими другими возможностями с которыми я сам не знаком. Эдакий Solidworks в миниатюре. Если в будущем вы собираетесь заниматься моделированием на профессиональном уровне, ПО Fusion360 будет хорошим шагом вперед для ваших навыков.
Параметрическая модель в КОМПАС-3D. Начало.
Всем привет. Я тут новенький, и еще не освоился. Так что могу нарушить некие неписанные правила, прошу не принимать близко к сердцу, я не со зла. Ладно, погнали.
Я часто работаю в САПР «Компас-3D» и «Altium Designer», я люблю красивые 3D-модельки и еще я достаточно ленив, чтобы рисовать каждую. По этой причине я обычно рисую одну параметрическую модель для объекта, имеющего разные варианты исполнения и потом ее перестраиваю через задание переменных. Например, микросхемы изготавливают в стандартных корпусах, отличающиеся в основном числом выводов, и параметризация тут экономит кучу времени. А еще, однажды я написал для друзей небольшой обзор того, как это делаю я, а теперь решил выложить сюда, может еще кого заинтересует. Это не урок, скорее описание личного опыта.
САПР «Компас-3D» имеет механизм задания параметров через переменные, и при этом неплохо ладит с математикой, что позволяет вносить изменения нажатием пары клавиш. Однако, практика показала, что многие пользователи игнорируют сочетание параметризации с другими возможностями среды, что в итоге вызывает сложности при параметризации чего-то сложнее длины болта. Так попробуем же усложнить модель?
А попробуем мы создать модель корпуса для микросхем типа QFP. У этого семейства корпусов может быть разное количество выводов, разный шаг между ними, и конечно же разные габаритные размеры. Очень удобная для демонстрации модель, можно показать метод, но не лезть в дебри.
Сначала можно построить сам пластиковый корпус, в котором смонтирован кремниевый кристалл. Так как модель планируется применять при работе в Altium Designer, то для удобства восприятия в меню «ориентация» выберем «Изометрия YZX», в таком положении плоскость, образованная осями X и Y оказывается в горизонтальном положении, Z направлена вверх. Плоскость XY является плоскостью платы для Altium Designer.
Так как сам корпус немного приподнят над плоскостью платы и стоит на выводах, мы построим вспомогательную плоскость, параллельную плоскости XY, на расстоянии 0,1 мм. в положительном направлении по оси Z, и уже от нее будем строить тело корпуса. Так как корпус квадратный, и стороны его одинаковы, можем задать длину стороны одной переменной: body_width. В построенной вспомогательной плоскости создаем эскиз, в нем чертим прямоугольник, и удобнее сделать это так, чтобы начало координат оказалось внутри него. Далее в меню «Размеры» выбираем размер от прямой до точки. Проставляем расстояние от каждой стороны прямоугольника до точки начала координат, при этом в поле «Выражение» во всех четырех случаях прописываем (body_width/2), так мы получаем для всех вариантов ориентацию относительно центральной точки и более удобную привязку модели.
Фактически, это прямоугольная в сечении пластина, имеющая два отгиба в противоположные стороны (разогнем немного букву «S», и вот, почти оно). При грубом приближении, нам необходимы следующие параметры вывода:
pin_number – количество выводов корпуса.
Рисунок 2 – назначение переменных.
Рисунок 3 – расположение вспомогательных параллельных плоскостей.
Эскиз сечения вывода (рисунок 4а):
Как упоминалось выше, вывод в своем сечении представляет прямоугольник шириной pin_width и высотой pin_thickness. Исходя из этого можно вычислить расстояние от начала координат до сторон прямоугольника, определяющих ширину вывода, являющегося крайним на своей стороне:
И расстояние от начала координат, до сторон, определяющих нижний и верхний края указанного сечения:
Эскиз формовки вывода (рисунок 4б):
В изначальном варианте эскиз представляет три отрезка – участок, прилегающий непосредственно к плате, вертикальная составляющая и отвод непосредственно к корпусу. После простановки размеров выполняем скругление углов между отрезками и проставляем для них радиальный размер для избежания изменений при перестроении, так же проставляем выравнивание точек примыкания дуг скругления по вертикали/горизонтали с соответствующими объектами. Радиус скругления примем равным 0,2 мм., как наиболее часто встречающийся, и так как данный параметр будет нести в нашей модели больше эстетическую составляющую, усложнять его вычислениями не будем.
Далее используя операцию кинематического выдавливания эскиза (рисунок 4а) по траектории (рисунок 4б), результат изображен на рисунке 4в.
Рисунок 4 – эскизы для построения вывода микросхемы.
Один экземпляр вывода мы получили, заготовка корпуса у нас есть. И похоже на сегодня все, ибо обнаружил, что больше нельзя насовать блоков в пост.
Скоро тут будет ссылка на продолжение, в котором мы размножим выводы и немного облагородим модельку до состояния с превьюшки. Продолжение я выложу, даже если эту часть никто не прочтет, так как оно есть написанное, а бросать незавершенное дело нельзя.
P.S.: GrabCAD воскрес, там уже лежит эта статья целиком.
Можете закидать критикой, или маякнуть в комментах, пригодилось данное чтиво или нет. Мне будет приятно и то и другое.
Параметрическое моделирование в 3Ds Max: что нужно знать?
Профессиональный 3D-дизайнер в своей работе должен владеть несколькими технологиями моделирования объектов и уметь мастерски сочетать их. В дизайне интерьеров обычно применяют полигональное, сплайновое, NURBS-моделирование или 3D-скульптинг. А вот параметрическое моделирование чаще можно встретить в инженерном деле. Тем не менее, это не повод обойти его стороной. В статье мы объясним, что такое трехмерное параметрическое моделирование на персональных компьютерах, где применяется и как именно реализуется в Autodesk 3Ds Max.
Что такое параметрическое моделирование
Параметрическое моделирование в 3D-графике – это метод проектирования объектов с использованием их параметрических данных. Принцип – изменение геометрии объекта с помощью регулировки его параметров (формы, размера, плотности, радиуса и т.д). Заданные параметры сохраняются в базе данных, и вы сможете воспользоваться ими в любой момент.
В итоге вы создаете математическую модель, из которой, благодаря настройке параметров, можно получить в будущем уникальные комбинации. Отметим, что большинство объектов в 3Ds Max параметрические, то есть представляют собой совокупность установок и настроек. Вносить корректировки настроек можно на командной панели в свитке Parameters.
Параметрическое 3D-моделирование – гибкий и в то же время точный инструмент, который несложно освоить, если знать азы 3Ds Max. А познакомиться с интерфейсом, функциями и основными настройками этой программы можно на наших курсах под контролем опытных преподавателей.
Параметризация – это один из первых способов моделирования, который чаще всего применяют в промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. С его помощью удобно конструировать детали и механизмы промышленных изделий. В дизайне интерьера параметризация необходима для проектирования декора, потолков, мебели нестандартных форм.
Параметр можно изменить в любой момент – тогда модель обновится в режиме реального времени. Поскольку все детали сборки связаны между собой, то при изменении конфигурации они будут взаимно перемещаться. Еще до создания конечного объекта вы поэкспериментируете с комбинациями настроек, увидите ошибки, допущенные при проектировании, вовремя исправите их.
Программы для параметрического моделирования – это не только 3Ds Max. Часто параметризацию выполняют в разных САПР – CATIA, Solidworks или Компас-3D.
Типы параметризации
В 3D-моделировании существует несколько режимов параметризаций:
Геометрическая параметризация – многофункциональный инструмент с тонкими настройками. С его помощью вы сможете вносить изменения в 3D-модель на любой стадии редактирования.
Преимущества параметрического моделирования
Разберем, почему в ходе знакомства с 3Ds Max стоит освоить параметрическое моделирование:
Несмотря на все плюсы, параметрическое моделирование в программе «3Д Макс» мы рекомендуем использовать для разработки технически несложных изделий с малым числом параметров. Если параметров наберется больше 40-50, обновление модели займет слишком много времени. Еще один минус – из-за продолжительности и трудоемкости процесс станет экономически невыгодным.
Процесс параметрического моделирования
Теперь разберем алгоритмы конструирования параметрических моделей на примере нескольких модификаторов. Наиболее распространено параметрическое моделирование в 3Ds Max с применением модификаторов Vol. Select и Morpher.
Что такое параметрическое моделирование
Параметрическое моделирование позволяет создать проект, в котором будут учтены все параметры модели. Причем они будут взаимосвязаны, и изменение одного из них повлечет за собой изменение остальных (например, детали в сборке будут взаимно перемещаться). Благодаря этому можно исключить риск появления принципиальных ошибок посредством проверки разных конструктивных схем.
Еще на заре появления САПР возникла идея применения такого типа моделирования, однако ее нельзя было реализовать из-за небольшой мощности компьютеров того времени. Ситуация поменялась только в 1989 году, в котором появились первые программы для параметризации.
Чтобы учесть все параметры будущей модели, понадобятся соответствующие чертежи и данные
Параметрическое моделирование может быть либо двумерным, либо трёхмерным. Первое представляет из себя параметризацию чертежей и применяется довольно редко. Трёхмерное 3D моделирование на заказ имеет большую эффективность. В использующихся сейчас САПР оно является основной возможностью.
Типы параметризации
Различают 4 типа параметризации, некоторые из них подходят для создания 3D визуализации интерьеров.
Достоинством этого типа является возможность гибкого редактирования уже созданной модели. Если нужно что-то изменить, достаточно просто создать новую конструкторскую линию, избежав потери взаимосвязей между элементами, и привязать к ней проведенную ранее линию изображения. Предметную визуализацию заказать или просто получить расчет стоимости можно прямо в день обращения.