Prawie każdy użytkownik systemu CAD zapytany o to, jaki rodzaj modelowania preferuje odpowie: parametryczny! Użyłem określenia „prawie każdy”, bo przecież jest grupa użytkowników, która preferuje systemy modelowania bezpośredniego. Który jest lepszy? Dlaczego? Do czego lepszy? Odpowiedź na te i podobne pytania nie jest prosta.
Andrzej Wełyczko
Moim zdaniem trzeba najpierw poznać wady, zalety, ograniczenia i w związku z tym określić potencjalne obszary praktycznego zastosowania każdego z wymienionych wyżej rodzajów modelowania. Dopiero wtedy można sprawdzić przydatność i udzielić sensownej, opartej na praktycznej ocenie, odpowiedzi.
Od mniej więcej 25 lat inżynierowie mają do dyspozycji parametryczne systemy CAD. Oczywiście w każdym system jest parametryczny „inaczej” i ciągle się zmienia, bo wspomniana wyżej parametryczność jest dzisiaj inna niż 20 lat temu. Ale to wciąż za mało, bo użytkownicy systemów CAD oczekują takich rozwiązań, które ułatwią definicję i modyfikacje geometrii. To jest przecież podstawowe zadanie systemu CAD.
Jest jednak w procesie projektowania coś, co nie zmienia się od lat: innowacyjność lub inaczej intencja konstruktora. Bo przecież zanim powstanie jakikolwiek projekt konstruktor musi mieć pomysł, wizję tego, co chce zaprojektować. Potem musi opracować strategię, która w jego systemie CAD doprowadzi do poprawnej definicji geometrycznej. Czym jest taka strategia? Najprościej mówiąc jest to uporządkowany zestaw poleceń (kolejność ich wykonania bardzo często ma znaczenie zasadnicze) lub inaczej procedura konstrukcyjna. Taka strategia jest oczywiście inna dla dwóch różnych systemów CAD. Ba, nawet w tym samym systemie CAD ta strategia może być inna, jeśli projekt jest realizowany w innym środowisku – parametrycznym (ang. Feature-Based Design) lub bezpośrednim (ang. Direct Modeling). Jeśli mamy do wyboru więcej niż jeden sposób modelowania, to trzeba odpowiedzieć na pytanie: który z tych sposobów jest lepszy i dlaczego? Czym na przykład różni się model bryłowy tej samej części zdefiniowany w innym środowisku modelowania? Zewnętrznie niczym, bo może mieć dokładnie taki sam kształt i wymiary. Inny jest sposób definiowania (strategia) oraz możliwości modyfikacji jego kształtu.
Pierwsze skojarzenie ze słowem strategia to w moim przypadku wojna. Nie gra (komputerowa), bo nie gram, ale to też dobre skojarzenie. W obu przypadkach celem jest wygrana. Z kim? Z czym? Z systemem CAD, który zawsze ma jakieś preferowane metody projektowania, a także, o czym nie można zapominać, wady i ograniczenia. Jak opracować taką strategię?
W przypadku systemu parametrycznego model bryłowy projektowanej części trzeba „rozbić” na pojedyncze cechy konstrukcyjne (trzon, podstawa, kołnierz, ucho lewe, otwór centralny, żebro, wybranie, itp.), a potem ustalić sposób definiowania każdej z tych cech konstrukcyjnych (kształt konturu podstawowego, na jakiej płaszczyźnie?, wymiary, liczba otworów, itp.) oraz kolejność modelowania. Taka dekompozycja wizji konstruktora na uporządkowany zestaw poleceń jest pierwszym etapem strategii, która ma doprowadzić do wygranej, czyli do poprawnego (zgodnego z zamiarem konstruktora) modelu przestrzennego. W jaki sposób taki model jest generowany w systemie parametrycznym? Przez analogię do programowania, w którym także mamy uporządkowany zestaw poleceń, można powiedzieć, że system CAD „uruchamia” procedurę konstrukcyjną, której wynikiem jest model geometryczny. Strategia rodzi się w głowie konstruktora, który swoją intencję przekłada na to, co jest możliwe w jego systemie CAD. Ile z tych wszystkich, koniecznych do wykonania, rzeczy jest rzeczywiście ważnych? I nie chodzi tu o to, że wszystkie są konieczne do zrealizowania w konkretnym (parametrycznym) systemie CAD, ale o to, że są one wymuszone przez ten właśnie system! Przecież w gotowym modelu parametrycznym istotnych jest tylko kilka parametrów, a na pewno nie wszystkie. Mogą to być na przykład wymiary gabarytowe, odległość osi, liczba lub rozmieszczenie otworów pod śruby mocujące, itp. Taka „czarna” wizja pracy w systemach parametrycznych jest oczywiście przesadzona, bo mają one sporo zalet, których tu i teraz nie chciałbym wyliczać. Jedno jest pewne: modelowanie bryłowe w systemie parametrycznym, zwłaszcza w przypadkach skomplikowanych geometrycznie, nie jest zadaniem trywialnym, bo sukces zależy od opisanej wyżej strategii.
Czy jest coś złego w tej lub innej metodzie tworzenia modelu przestrzennego? Nie, pod warunkiem, że każdy, kto tworzy lub modyfikuje taki model wie jak i ma do dyspozycji ten sam system CAD. Trzeba też zauważyć, że nie każdy ma doświadczenie pracy w konkretnym systemie CAD. No właśnie, o ileż łatwiejsze byłoby życie konstruktora czy technologa gdyby korzystali z tego samego systemu CAD. Rzeczywistość niestety jest inna. Różnorodność systemów CAD oraz formatów zapisu danych w tych systemach wymusza zastosowanie formatów neutralnych (IGES, STEP). I to nie tylko dlatego, by móc wymieniać dane pomiędzy różnymi systemami CAD, ale także dlatego, że niektóre modele przestrzenne (na przykład w lotnictwie) muszą być archiwizowane przez kilkadziesiąt lat! Czy za lat 30 będzie można odczytać i zmodyfikować model bryłowy części wykonany dzisiaj w systemie CAD-X?
Tematyka wymiany danych pomiędzy różnymi systemami CAD jest oczywiście wspierana przez dostawców tych systemów, ale z pewnością nie jest to dla nich zagadnienie priorytetowe. Jeśli konwersja modelu bryłowego z systemu CAD-A do CAD-B zakończy się sukcesem, to i tak zwykle rezultat jest martwą bryłą (bez parametrów, konturów podstawowych, itd.). Ale nawet w przypadku „martwej” bryły modyfikacja jej kształtu jest możliwa, bo niemal każdy parametryczny CAD oferuje narzędzia rozpoznawania cech konstrukcyjnych (ang. Feature Recognition). Można więc „odtworzyć” parametryzację otworu i potem zmienić jego średnicę. Można usunąć jakąś powierzchnię bryły (ang. Remove Face), a system wypełni tą pustą przestrzeń ekstrapolując powierzchnie sąsiadujące. Ale to wciąż za mało!
Dlatego, obok systemów parametrycznych, mamy także systemy modelowania bezpośredniego, których istotą jest swobodne definiowanie geometrii, a nie opis metody jak uzyskać model geometryczny na podstawie konturów, parametrów, relacji wymiarowych czy geometrycznych. Trzeba jednak pamiętać, że olbrzymie znaczenie ma nie tylko łatwość definicji geometrycznej, ale także sposób „powiązania” intencji konstruktora z tą geometrią. Konstruktor ma w takim środowisku tyle swobody, że może swobodnie modyfikować geometrię, nawet w taki sposób, że nie będzie ona zgodna z intencją konstrukcyjną: kołnierz jest po prostu kołnierzem, a otwór po prostu otworem. Swoboda modyfikacji położenia otworu może doprowadzić do sytuacji, w której otwór jest zdefiniowany na krawędzi kołnierza. Pełna swoboda, ale czy to jest rozwiązanie poprawne konstrukcyjnie, technologicznie? W systemie parametrycznym położenie otworu może być ustalone w zadanej odległości od krawędzi. Niektórzy twierdzą, że to ogranicza swobodę konstruktora. Co wybrać: swobodę czy ograniczenia? (Tu sam siebie złapałem na tym, jak tendencyjne można postawić pytanie!)
Dlaczego dzisiaj obserwujemy taki boom (Creo z PTC, Fusion z Autodesk, Live Shape z Dassault, Synchronous Technology z Siemens PLM) w obszarze modelowania bezpośredniego? Moim zdaniem dlatego, że dzisiejsze komputery, karty graficzne oraz oprogramowanie są w stanie w realnym czasie zrealizować wizję, która wcale nie jest taka nowa. Mamy przecież na rynku sporo systemów (IronCAD, SpaceClaim, itd.), które od lat propagują ideę modelowania bezpośredniego. Moim zdaniem trzeba rozważyć dwa praktyczne scenariusze.
Scenariusz 1
Załóżmy, że jakaś część, której model przestrzenny został wykonany w firmie A (w systemie CAD-A) ma być wyprodukowana w firmie B, która używa innego systemu (CAD-B). Załóżmy też, że analiza technologiczności modelu tej części (wykonana w firmie B) wskazuje na konieczność modyfikacji jej geometrii. Konieczna jest niewielka zmiana wartości jednego lub kilku parametrów. Może to być na przykład modyfikacja promienia zaokrąglenia krawędzi, która nie ma wpływu na jakość konstrukcji, ale umożliwi redukcję kosztów produkcji lub relatywnie niewielka modyfikacja kąta pochylenia ściany, która zapewni technologiczność wykonania. Firma B nie może wykonać takiej zmiany bez uzgodnienia z firmą A. Nawet jeśli zmiana zostanie uzgodniona (na przykład telefonicznie), to firma B nie ma technicznych możliwości modyfikacji modelu przestrzennego, bo został on wykonany w obcym dla niej systemie CAD-A. Pat? Nie. Potencjalnie można skorzystać z konwerterów, które „tłumaczą” definicję modelu z formatu CAD-A na CAD-B lub poprosić firmę A o dostarczenie modelu w formacie neutralnym, na przykład STEP. Niestety żadna z tych metod nie jest idealna, bo nawet jeśli konwersja jest w 100% poprawna, to dalej konieczny jest fachowiec, który wie jak zmienić kształt modelu w systemie CAD-B. Czy nie łatwiej wprowadzić konieczne zmiany konstrukcyjne modelu wykonanego w systemie CAD-A bezpośrednio w systemie CAD-B, czyli bez konwersji? Tak, ale takie zadanie może być zrealizowane w systemie CAD-B tylko wtedy, gdy w tym systemie można otworzyć model w formacie CAD-A i dostępne są narzędzia z grupy Direct Modeling. W tym przypadku można użyć określenia Direct Editing, bo przecież nie chodzi o budowę modelu przestrzennego od nowa, ale o niewielkie modyfikacje. I to jest jedno z typowych zastosowań systemów modelowania bezpośredniego.
Scenariusz 2
Początek projektu jest tradycyjnie związany ze szkicami koncepcyjnymi. Te mogą być wykonane na papierze lub w dedykowanej do tego aplikacji. Celowo nie nazwałem tej aplikacji systemem CAD 2D, bo projekt koncepcyjny jest tworzony (powinien być?) przez projektanta-artystę, a nie przez konstruktora. Taki projektant-artysta nie jest z reguły zainteresowany pracą w profesjonalnym systemie CAD, bo ten jest dla niego zbyt „ciężki”. I nie chodzi tu o to, że taki system jest poza zasięgiem możliwości projektanta-artysty, ale o to, że klasyczne systemy parametryczne nie są łatwe do opanowania bez specjalistycznego przeszkolenia. Recz się jeszcze bardziej komplikuje, gdy zaczniemy rozważać zastosowanie systemów CAD 3D w definicji modelu koncepcyjnego. Przecież dzisiaj (w XXI wieku) to nie szkic (2D), ale model przestrzenny (3D) jest najbardziej pożądaną formą przekazywania informacji o produkcie – także na etapie projektu koncepcyjnego! O ile trudniej jest opanować poprawne zastosowanie systemu CAD 3D zwłaszcza osobie, która nie ma odpowiedniego przygotowania. I tu dochodzi my do sedna sprawy. Modelowanie bezpośrednie pozwala swobodnie modelować obiekty przestrzenne bez konieczności opracowania szczegółowej procedury konstrukcyjnej (strategii modelowania). Kolejność modelowania poszczególnych cech konstrukcyjnych nie ma w takim systemie żadnego znaczenia, a ponadto system „podpowiada” jakie polecenia mogą być zastosowane do wskazanego elementu geometrycznego (wierzchołek, krawędź, powierzchnia, etc.). Jeśli zadaniem projektanta jest szybka definicja modelu koncepcyjnego w postaci modelu przestrzennego, to oczywiście narzędzie klasy Direct Modeling jest tym, czego mu potrzeba.
Czy to oznacza, że systemy klasy Direct Modeling zastąpią w najbliższej przyszłości systemy parametryczne (klasy Feature-Based Design)? Moim zdaniem nie, bo obok niewątpliwych zalet mają one także pewne ograniczenia, które w większości są wynikiem porównania z tym, co dzisiaj oferują systemy parametryczne.
Pierwsza i dla mnie – długoletniego użytkownika systemu parametrycznego – subiektywna niedogodność jest związana z brakiem widocznych parametrów, które determinują kształt modelu przestrzennego. Bryła lub powierzchnia jest w zdecydowanej większości dzisiejszych systemów modelowania bezpośredniego widoczna jako jeden obiekt. W systemie parametrycznym mówimy o takim obiekcie „martwy”, czyli bez parametrów. Te parametry oczywiście muszą być i są gdzieś schowane, ale nie są (dzisiaj) widoczne i ich wartości nie mogą być bezpośrednio modyfikowane, bo model geometryczny nie ma historii (drzewo specyfikacji). Tu powinienem dodać, że są systemy CAD klasy Direct Modeling, które generują specyfikację cech konstrukcyjnych. Ba, wykonują automatycznie zmianę kolejności cech konstrukcyjnych, jeśli tego wymaga zastosowana modyfikacja geometrii (na przekład przesunięcie otworu). Niestety, nie wszystkie.
Jak zapewnić zadaną odległość otworu od krawędzi projektowanej części niezależnie od modyfikacji powierzchni, do której należy ta krawędź? W systemie klasy Direct Modeling otwór jest tam, gdzie jest. Jego położenie może być swobodnie modyfikowane, ale nie jest powiązane z krawędzią, punktem czy płaszczyzną. Jak w takim razie powiązać intencję konstruktora z geometrią modelu przestrzennego? Tu znowu trzeba (asekuracyjnie?) powiedzieć, że to nie dotyczy wszystkich systemów CAD.
Kolejne ograniczenie jest związane z generowaniem podobnych geometrycznie modeli przestrzennych, czyli z tym, co w systemach parametrycznych jest zupełnie naturalne. Jak w systemie klasy Direct Modeling zdefiniować rodzinę podobnych geometrycznie komponentów? W systemie klasy Feture-Based Design parametry modelu pojedynczej części lub zespołu części można powiązać z tabelką i kontrolować kształt modelu przestrzennego za pomocą zestawu wartości parametrów (odp. wiersz z tabelki).
W jaki sposób zautomatyzować nie tylko tworzenie geometrii w systemie modelowania bezpośredniego, ale także proces sprawdzania jego poprawności? Na przykład jak sprawdzić, czy wszystkie otwory mają standardowe średnice? Większość systemów klasy Direct Modeling nie rozpoznaje cech konstrukcyjnych (ang. Feature), bo model przestrzenny jako całość jest po prostu kształtem, geometrią bez dekompozycji na cechy konstrukcyjne.
Porównywanie różnych typów (klas) systemów CAD jest często prowokacją do udowadniania, który z systemów jest lepszy. Ja nie zamierzam udowadniać, że CAD-A jest lepszy od CAD-B i powrócę do tego, co napisałem na wstępie: Który jest lepszy? Dlaczego? Do czego lepszy? I dodałbym jeszcze jedno: Do czego jest potrzebny lub w czym ma pomóc system CAD?
Odpowiedź jest prosta: W systemie CAD tworzę model geometryczny projektowanej części lub zespołu części. Jeśli CAD-X spełnia moje wymagania, to nie ma większego znaczenia czy jest parametryczny, bezpośredni czyli „mieszany”, bo wybór systemu jest zawsze zależny od rodzaju pracy do wykonania, stopnia skomplikowania geometrii i otoczenia biznesowego. Nie można przecież wybrać takiego systemu, który nie jest akceptowany przez mojego zleceniodawcę. I jeszcze jedno, zamiast pytać o to, który CAD (parametryczny lub bezpośredni) jest lepszy należy, moim zdaniem, sformułować pytanie inaczej: Kiedy na rynku pojawi się CAD, w którym będzie dostępne wszystko to, co najlepsze w konkurujących ze sobą koncepcjach modelowania przestrzennego? Czy swoboda modelowania będzie kiedyś połączona z „parametryzacją na życzenie” i automatyczną rekonstrukcją „historii” tworzenia modelu bryłowego? A może także powierzchniowego? Czas pokaże, a my, użytkownicy systemów CAD, powinniśmy czujnie obserwować w jakim kierunku zmierzają wielcy i mali dostawcy tych systemów oraz nie dać się omamić agresywnym marketingiem.
Andrzej Wełyczko
