автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация инженерно-графических работ на базе типовых табулированных программных инструментов и параметрически-управляемого геометрического моделирования

На правах рукописи

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ НА БАЗЕ ТИПОВЫХ ТАБУЛИРОВАННЫХ ПРОГРАММНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИ-УПРАВЛЯЕМОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2005 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт электронной техники (технический университет)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Дубовой Николай Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лисов Олег Иванович кандидат технических наук Скоробутов Александр Юрьевич

Ведущая организация: ОАО «НИИ Точного машиностроения».

Защита состоится « У/,, /Г 2005 г. в на

заседании диссертационного совета Д 212.134.04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, г.Москва, Зеленоград, проезд 4806, дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ. Автореферат разослан « //» /О 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета лу

доктор технических наук, профессор /л фр^ Погапов А.И.

»

Ш6-Ч J6390

мчш

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Постоянно растущий уровень компьютерных технологий, динамичное развитие программных и аппаратных средств влекут за собой бурный переход от традиционных методов ведения проектно-конструкторских работ к использованию новых автоматизированных систем разработки и выполнения конструкторской документации. На сегодняшний день производство продукции мирового класса возможно только на соответствующем оборудовании и с использованием современных средств автоматизации. Ни одно предприятие, ведущее разработки сложных технических объектов, теперь не обходится без использования компьютеров и мощного программного обеспечения, позволяющего гармонично сочетать форму и содержание проекта, оптимизировать процесс разработки и выполнения конструкторской документации при многократном использовании имеющихся данных. Базовые графические системы обогащают, но не усложняют возможности творческого поиска конструкторов, поскольку обладают высокотехнологичными и удобными, простыми в обращении инструментами, при помощи которых в одном проекте реализуются замыслы целой команды проектировщиков и требования заказчиков. На базе универсальных графических систем разрабатываются автоматизированные рабочие места (АРМ) конструкторов, технологов, архитекторов, схемотехников и многих других разработчиков.

В настоящее время существует множество графических редакторов и систем геометрического моделирования: AutoCAD, Компас, T-flex, Solid-Works и др. Но какой универсальной и совершенной ни была бы базовая графическая среда, задача перехода на новую технологию проектно-конструкторских работ требует современных методик обучения конструкторов и разработчиков объектно-ориентированных систем автоматизированного конструирования, в которых центральное место занимают методы компьютерного моделирования, как нового используемого инструмента.

В последнее время опубликовано значительное количество работ, посвященных проблеме автоматизации конструирования изделий в различных отраслях промышленности. Пути их решения освещены в работах как отечественных ученых - Б.Н.Добренько, А.В.Россоловского, Г.Г.Казеннова, И.П.Норенкова, В.А.Селютина, Д.И.Томашевского,

Г.П.Вяткина, Н.Н.Крылова, А.А.Чекмарева, Н.Н.Голованова, А.Потемкина, так и зарубежных - Э.Финкельштейн, Дж. Лича, И.Гардана и М.Люка, Дж. Фоли, и др.

Тем не менее, непрерывное совершенствование математического и программного обеспечения систем автоматизированного конструирования требуют развития подходов и методов к проблеме автоматизации конструирования на базе компьютерных технологий. Проведенный автором диссертации анализ множества публикаций показал, что практически отсутствуют материалы и разработки, посвященные автоматизации инженерно-графических работ на базе типовых табулированных программных инструментов и автоматизированных объектно-ориентированных систем с использованием параметрически-управляемого геометрического моделирования. Поэтому разработка методики и технологии автоматизации инженерно-графических работ, включающая создание структурной модели и сценария интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов, а также, разработка подхода к созданию объектно-ориентированных систем и специализированных инструментов с использованием параметрически управляемого геометрического моделирования представляет собой сложную научную проблему, решение которой является своевременным и актуальным.

Работа над данной проблемой ведется автором диссертации непрерывно в течение многих лет. Научные исследования и практические разработки соискателя нашли применение и внедрены как в производственный, так и в учебный процесс.

Целью диссертации являются исследование и разработка эффективных методов и алгоритмов автоматизации инженерно-графических работ на базе типовых табулированных программных инструментов и параметрически-управляемого геометрического моделирования.

Реализация поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Создание и реализация структурной модели мультимедийной интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов.

2. Разработка методов, алгоритмов и технологии программирования при параметрически управляемом геометрическом моделировании.

4

' г-

<

¡Иг.

3. Определение подхода и методики создания структуры и реализации объектно-ориентированных систем, их информационной базы, интерфейса пользователя, а также специализированных инструментов.

4. Разработка учебно-методического комплекса, обеспечивающего внедрение средств автоматизации в очный и заочный дистанционный учебно-производственный процесс выполнения инженерно-графических и конструкторских работ на базе компьютерных технологий.

Весь этот комплекс актуальных задач характеризуется как теоретическое обобщение и решение научно-технической проблемы, направленной на повышение эффективности математического, программного и информационного обеспечения автоматизации инженерно-графических и конструкторских работ.

Методы исследований. При исследовании проблем, сформулированных в диссертационной работе, и решении поставленных задач автоматизации инженерно-графических работ на базе типовых табулированных программных инструментов использовались методы объектно-ориентированного программирования, методы построения кривых линий, поверхностей и твердых тел, выполнения над ними различных операций, методы управления численными моделями и методы параметрически-управляемого геометрического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методики и технологии автоматизации инженерно-графических работ на базе типовых табулированных программных инструментов и параметрически-управляемого геометрического моделирования.

Ниже приводятся наиболее важные, научно обоснованные достижения автора диссертации:

1. Предложенные автором подход, структура и технология создания мультимедийных интерактивных компьютерных тренинг-систем на базе типовых табулированных программных инструментов.

2. Разработанные методы, алгоритмы и технология создания параметрически управляемых геометрических моделей.

3. Впервые разработанные методические и практические основы создания структуры и реализации автоматизированных объектно-ориентированных систем, их информационной базы, интерфейса пользователя, а также специализированных инструментов.

4. Модель учебно-методического комплекса, обеспечивающего внедрение средств автоматизации в учебно-производственный процесс выполнения инженерно-графических работ на базе компьютерных технологий, включающий методическое, организационное, информационное и программное обеспечение.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные подходы, методики, алгоритмы и разработки позволяют существенно поднять уровень и эффективность выполнения инженерно-графических работ, автоматизировать технологический учебно-производственный процесс разработки и выполнения конструкторской документации на базе компьютерных технологий. А следовательно, снизить экономические, временные затраты и кадровые ресурсы, а также повысить качество разрабатываемых изделий.

Основные результаты диссертационной работы были использованы в НИР, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе МИЭТ (в лекционных курсах, лабораторных работах, курсовых и дипломом проектированиях), а также нашли широкое внедрение и практическое использование на предприятиях, что подтверждено актами внедрения. Результаты диссертационной работы использованы при проведении 11 научно-исследовательских работ, что отражено в отчетах.

Разработанные в диссертации подходы и методики реализованы в объектно-ориентированных системах автоматизированного

конструирования ряда установок: модуля магнетронной распылительной системы; установки термокомпрессионной сушки фоторезиста; установки автоматизированного оптического контроля печатных плат; установки нанесения слоев фоторезиста; роботизированного модуля загрузки полупроводниковых пластин; вибрационного загрузочного устройства с круговым лотком и др. А также в НИР по программе «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» на 2000-2001 г.г. от Министерства образования Российской Федерации (соискатель являлся ответственным исполнителем). Проводимая автором диссертации научно-исследовательская работа получила фант Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области технических наук 2001 года в разделе «Автоматика и телемеханика, вычислительная техника, связь, метрология» (соискатель являлся ответственным исполнителем).

Таким образом, основные теоретические результаты предлагаемой работы обобщены и доведены до удобного для практического использования вида.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Методы и технологии автоматизации процесса инженерной графики на базе типовых табулированных программных инструментов и параметрически-управляемого геометрического моделирования.

2. Методы, алгоритмы и технология программирования при параметрически управляемом геометрическом моделировании.

3. Концептуальная модель и технология разработки мультимедийных интерактивных компьютерных тренинг-систем на базе типовых табулированных программных инструментов.

4. Методические, практические основы и технологии создания структуры и реализации автоматизированных объектно-ориентированных систем, их информационной базы, а также интерфейса пользователя, включающего объектно-ориентированные каскадные падающие, пиктографические меню, диалоговые окна, специализированные инструменты, слайд-библиотеки.

5. Модель методического комплекса, обеспечивающего внедрение средств автоматизации в учебно-производственный процесс выполнения инженерно-графических работ на базе компьютерных технологий, включающий методическое, организационное, информационное и программное обеспечение.

6. Результаты внедрения теоретических исследований в промышленное производство, подтвержденное соответствующими актами.

Личный вклад автора. Все теоретические и практические результаты диссертационной работы разработаны и получены лично автором.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы многократно докладывались автором и обсуждались на всесоюзных, Российских и отраслевых конференциях, получили положительную оценку и успешно используются как в производстве на предприятиях, так и в учебных процессах вузов. В ноябре 1998 г. автор успешно прошел аттестацию в компании Autodesk, что подтверждено международным сертификатом за номером RUI 006 11100-090000-6800. В рамках XXIII Московской международной книжной выставки-ярмарки 2005 г. автор награжден Дипломом «За неоценимый вклад в развитие системы подготовки специалистов и квалифицированных пользователей в области компьютерных и информационных технологий».

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 39 печатных работ, в том числе: 11 в центральных издательствах , 5 без соавторов; I из которых - учебник для вузов, по направлениям "Информатика и вычислительная техника", "Конструирование и техноло!ия электронной аппаратуры" и специальностям "Системы автоматизированного проектирования", "Электронное

машиностроение", "Радиотехника" с грифом Министерства образования Российской Федерации ("Инженерная и компьютерная графика"); 2 -учебные пособия для электротехнических, приборостроительных специальностей вузов с грифами Государственного комитета СССР по народному образованию и Министерства образования Российской Федерации ("Автоматизация разработки и выполнения конструкторской документации", "Компьютерная технология инженерной графики в среде AutoCAD 2000. AutoLISP"); 8 монографий. Помимо перечисленного издано: 7 статей в журналах и сборниках; 11 тезисов докладов на конференциях; 1 учебник; 8 учебных и методических пособий и указаний; 1 Межвузовский сборник «Научные основы технологий, материалов, приборов и систем электронной техники» под редакцией автора диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 127 наименований и 4 приложений. Общий объем работы 215 страниц, из них 189 страниц основного текста, в том числе 50 страниц таблиц и рисунков, 9 страниц текстов программ. Приложения на 26 страницах содержат акты внедрения, фрагменты текстов программного обеспечения, примеры таблиц типовых табулированных программных инструментов и фрагменты компьютерной тренинг-системы.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводится структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается обзор состояния и применения компьютерных технологий в процессе выполнения инженерно-графических работ. Приводится сравнительный анализ существующих систем автоматизированного конструирования, рассматриваются этапы моделирования на базе компьютерных технологий, а также этапы

становления и принципы создания систем автоматизированного конструирования.

Новейшие компьютерные технологии предоставляют современные аппаратные, программные и информационные средства, реализующие автоматизацию инженерно-графических работ. Наиболее эффективными для этих целей являются постоянно развивающиеся интерактивные средства компьютерной графики, обеспечивающие процесс геометрического моделирования в режиме интерактивного диалога «человек - компьютер». Важную роль при этом играет графическое восприятие и возможность манипулировать графическими образами.

Под всеобъемлющим термином «САПР» (система автоматизированного проектирования) в России понимают ряд англоязычных терминов (САВ/САМ/САЕ/РОМ/ТОМ/АЕС/С18 и т.д.). Как известно, наиболее широко автоматизированное проектирование используется в машиностроении, архитектуре и строительстве, картографии и кадастре, в электротехнике и электронике. В процессе проектирования на базе компьютерных технологий помимо автоматизации расчетов отдельный блок представляют функции невычислительного характера: поиск и хранение информации, логический анализ ситуаций, моделирование систем и устройств, а также обработка графической информации.

В свете выявленных ключевых проблем автоматизации процесса конструирования особую актуальность приобретают вопросы посвященные технологии автоматизации процесса инженерной графики на базе типовых табулированных программных инструментов и разработки автоматизированных объектно-ориентированных систем. Поэтому создание такой технологии, включающей интерактивные компьютерные тренинг-системы по изучению современных базовых графических сред, разработка методики и подхода к созданию объектно-ориентированных систем и специализированных инструментов, представляет собой сложную научную проблему, решение которой является своевременным и актуальным.

Необходимо подчеркнуть особо важное значение разработки методов, алгоритмов и технологии программирования при параметрически управляемом геометрическом моделировании, отвечающим принципам многовариантного конструирования, и как следствие, определяющим качество конструируемого устройства, стоимость его изготовления и эксплуатации.

Во второй главе «Разработка технологии автоматизации процесса геометрического моделирования на базе набора типовых табулированных программных инструментов» обосновывается разработанная автором концептуальная структурная модель, технология и сценарий создания интерактивных обучающих компьютерных тренинг-систем на базе типовых табулированных программных инструментов, которые могут быть взяты за основу при разработке компьютерной тренинг-системы любой базовой графической среды, приводится классификация функциональных возможностей компьютерной тренинг-системы, даны основы геометрического моделирования на плоскости и в пространстве, а также организационное, методическое, информационное и программное обеспечение автоматизации процесса инженерной графики.

Для повышения конкурентоспособности разрабатываемых изделий, сохранения позиций на рынке, перед конструкторами поставлена сложная задача. Принципиально должна быть изменена технологи конструирования изделий. Только современные С АО/САМ/С АЕ-системы могут обеспечить нужное качество конструирования, свободное от дорогостоящего процесса доводки натурных образцов изделия, сократить сроки и обеспечить выполнение проекта меньшим, но более квалифицированным коллективом инженеров.

Непрерывное совершенствование математического и программного обеспечения систем автоматизированного конструирования требуют развития подходов и методов к проблеме автоматизации конструирования на базе компьютерных технологий. Основными причинами «пробуксовывания» отечественного рынка САПР, кроме финансовой стороны, является нехватка квалифицированных специалистов, способных работать с использованием компьютерных технологий. Поэтому поставленная задача создания технологии автоматизации процесса геометрического моделирования на базе набора типовых табулированных программных инструментов, включающей интерактивные компьютерные тренинг-системы современных базовых графических сред, является весьма актуальной.

При разработке структуры тренинг-системы, преследовались следующие цели: система должна быть компактна, мобильна, но при этом достаточно полно освещать различные способы моделирования как на плоскости, так и в пространстве, обучать средствам настройки рабочей среды, подробно знакомить с пользовательским интерфейсом, обучать формированию и редактированию примитивов и сложных

геометрических форм, давать исчерпывающую информацию о командах оформления чертежа, свойствах примитивов, структуре слоев, а также настройке параметров черчения. А следовательно, быть пригодной, как для начинающего пользователя, не знакомого с методами автоматизированного геометрического моделирования и компьютерными технологиями, так и для опытного пользователя, имеющего цель углубленного изучения и повышения своего квалификационного уровня.

Таким образом, изучение базовой графической среды можно разбить на пять блоков (рис. 1).

Каждый из блоков содержит набор обучающих макет-файлов и тестирующих файлов. Поскольку тренинг-система предназначена не только для начинающего пользователя, но и для опытного, предлагаемый маршрут изучения представляет собой демократичную последовательность макет-файлов, которая легко адаптируется под квалификацию пользователя. Тестирующие файлы, внедренные в тематический набор макет-файлов, позволяют обучающемуся закрепить пройденный материал, определить степень усвоения информации и принять решение: продолжать дальше изучение программы или вернуться к предыдущим макет-файлам для повторного изучения (рис. 2).

Один из самых значимых - третий блок посвящен моделированию на плоскости. Он является наиболее важным и емким, и включает в себя три тематических раздела (рис. 3): формирование примитивов в двумерном пространстве, оформление чертежей и редактирование на плоскости.

Четвертый блок тренинг-системы посвящен моделированию в трехмерном пространстве. Он содержит четыре тематических раздела (рис. 4): формирование моделей трехмерных объектов, редактирование в трехмерном пространстве, визуализация трехмерных моделей, формирование чертежа на основе трехмерной твердотельной модели.

Таким образом, разработанная тренинг-система достаточно полно освещает различные способы моделирования как на плоскости, так и в пространстве, обучает средствам настройки рабочей среды, подробно знакомит с пользовательским интерфейсом, обучает формированию и редактированию примитивов и сложных геометрических форм, дает исчерпывающую информацию о командах оформления чертежа, свойствах примитивов, структуре слоев, а также настройке параметров черчения.

Формирование грсчмсрныч объектов

Чдактмроааик трехмерных объектов

Воту&ягацм трехмерных объектов

Полъчеиие чертежей по трехмерной модели

5 - Получение твердой копии рисунка

Рис. 1. Этапы изучения базовой графической среды

Рис. 2. Маршрут изучения базовой графической среды В работе с системами геометрического моделирования используются различные области знания. Теоретической основой геометрического моделирования являются дифференциальная и аналитическая геометрия, вариационное исчисление, топология и разделы вычислительной математики. Геометрическое моделирование изучает методы построения кривых линий, поверхностей и твердых тел, методы выполнения над ними различных операций и методы управления численными моделями.

Рис. 3. Блок тренинг-системы: моделирование на плоскости

-| 4 - Млутфпмак »тфггмгупм прострюспе ] "ФПРМФОМЯШ!110ДГ«Г>11)ГП«ТИДД6ИРВ» |

Просх^шсоо Построение ПрОСЯЫХ мелок! Построю*

чертеп

Кд>гдгомпе»чсп<1т—иуос1рцсае|

X

чроиершг объект

цсаерша

ТС1

Вдуыжищитрешддп мадцей

Фсрмяромос чертой и оаомЗРмадвп I

Рис. 4. Блок тренинг-системы: моделирование в пространстве

Компьютеры позволяют создавать численные модели различных объектов. С их помощью можно увидеть еще не существующий объект, получить его геометрические характеристики, исследовать его физические свойства путем постановки численных экспериментов, внести необходимые изменения, подготовить производство и, наконец, изготовить объект. Инструментом для всего этого служат CAD/CAM/CAE системы. Общими элементами таких систем является математическая модель геометрии проектируемого объекта.

Геометрические объекты служат основными элементами математической модели геометрии реальных или воображаемых объектов, строятся в трехмерном евклидовом пространстве и считаются неизменными во времени. Состоят геометрические объекты из точек, линий, поверхностей и тел.

В матричном представлении формула преобразования декартовых прямоугольных координат точки в пространстве при переходе от одной

системы Ое,е2е3 к другой Q^hh (рис. 5) имеет вид: г = Á1 x + q ,

где А1 - транспонированная матрица поворота.

Формулы преобразования координат двумерных точек имеют

вид:

А = °í ,yt + «21^2 + 4i, Рг = а,гУх + апУг + Чг ■

При этом на плоскости заданы две декартовы прямоугольные системы координат: Оехе2 и Qj\Íi ■ Положение точки Р описывается векторами р = рхех + р2ег и у = yj\ + y2j2 (рис. 6).

Поворот двумерной точки на угол d выполняющийся вокруг оси, перпендикулярной плоскости, в которой лежит точка (рис. 7), будет определяться радиус-вектором:

г = q + pcosa + bsma - q + pcosa + N • psin a = A (r0 - q) , где A = eos aE + sin aN ортогональная матрица поворота. Положение двумерной точки г, симметричной точке г0 относительно линии будет описываться радиус вектором

г = q + (р ■ v)v- (р - (р ■ v)v) = q + (2w - Е)р = q + A (r0-q) где матрица А = 2w - Е ~ матрица симметрии (рис.8).

Рис. 5. Положение точки R

Рис. 6. Положение точки Р

\ Центр »ращения

Q

Рис. 7. Вращение двумерной точки

Рис. 8. Симметрия точки относительно линии

Положение точки с радиус-вектором го после масштабирования по координатным осям относительно неподвижной точки д будет описываться радиус-вектором

r = q +

т] 0 " Р\

0 т2 -Pi.

= q + A-(r0-q)

гае Pf и Pz - компоненты вектора Р~го~Я, т\ - коэффициент

/и.

коэффициент увеличения

увеличения компоненты Р\, компоненты рг ■

Кривой линией называется геометрическое место точек, координаты которых описываются непрерывными и однозначными функциями

r{(t) , r2{t) , r3(t) параметра f, принимающего значения на отрезке 'min —' - 'шах • В декартовой прямоугольной системе координат Oete2e^ кривую можно описать параметрически радиус-вектором

КО - X г (0*, < / <

\ ' ¿-I * \ > I , »тш — — шах •

7=1

Практическое значение представляют двумерные кривые на плоскости. Большинство формул для двумерных кривых можно получить из соответствующих формул для пространственных кривых, положив в них третью координату равной нулю и опустив ее и все векторы, ортогональные плоскости кривой (в их числе бинормаль).

Радиус-вектор двумерной кривой коЧкояоГ будет описываться выражением КО = х(1)ек + у(1)е2 .

Для двухмерной кривой КО формулы Френе-Серре имеют вид

<Л , йп .

— = кп — = -\й (¡я ' еЬ

где I = (1г /с/5 - касательный вектор кривой, 5 - длина дуги кривой. Натуральное уравнение двумерной кривой выражает ее кривизну как

функцию дуги вдоль кривой и имеет вид к = к(я) .

Все кривые можно поделить на две большие группы: пространственные кривые и двумерные кривые. Это деление основывается на том, что пространственные кривые и двумерные кривые имеют разное число измерений.

Формирование модели объекта, в том числе трехмерной, обычно не является самоцелью. Это делается для дальнейшего использования такой модели в системах прочностных расчетов и кинематического моделирования, при получении проектно-конструкторской документации, фотографически достоверного изображения готового изделия до его производства, при экспорте трехмерных моделей в другие программы компьютерной графики и т.д.

Создание трехмерных моделей - более трудоемкий процесс, чем построение их проекций на плоскости, но при этом трехмерное моделирование обладает рядом преимуществ, а именно: в процессе проектирования разработчик имеет возможность обсудить с клиентом, технологом и изготовителем достоинства и недостатки проектируемого изделия до его изготовления по трехмерной модели, при существующих средствах моделирования мало отличающейся от реального объекта. При этом могут быть рассмотрены различные варианты, устранены недостатки и достигнут желаемый результат до разработки проектно-

конструкторской и технологической документации, что значительно сократит сроки и затраты на изготовление изделия.

В геометрическом моделировании поддерживается три типа трехмерных моделей: каркасные, поверхностные и твердотельные. Каждый из них обладает определенными достоинствами и недостатками, а следовательно, для каждого типа существует своя технология создания и редактирования.

Каркасная модель представляет собой скелетное описание трехмерного объекта. Она не имеет граней и состоит только из точек, отрезков и кривых, описывающих ребра объекта.

Моделирование с помощью поверхностей - более сложный процесс, так как здесь описываются не только ребра трехмерного объекта, но и его грани. В этом случае поверхности строятся на базе многоугольных сетей. Поскольку грани сети плоские, представление криволинейных поверхностей производится путем их аппроксимации. Часто поверхности, составленные из плоских участков, называют термином сети. Сети имеет смысл использовать также при создании нестандартных сетеобразных моделей, к примеру, трехмерной топографической модели холмистой местности.

Координаты точек поверхности описываются непрерывными и

однозначными функциями двух

параметров и и V, принадлежащих непрерывной и связной двумерной области

О. В декартовой прямоугольной системе координат Ое,е2е, поверхность можно описать радиус-вектором

3

г(и,*) = , М,у е П.

1=1

Два параметра и и V определяют точку поверхности. Если эти параметры сами являются функциями двух других параметров м0 и у0 _

уо), то поверхность будет описываться

радиус-вектором

зависящим от параметров ы0 и . Новые параметры м0 и имеют

свою область определения П0 . форма поверхности не зависит от способа ее параметризации, поэтому имеется возможность использовать

удобную параметризацию и область изменения параметров. Параметры поверхности являются координатами внутренней двумерной системы координат, в качестве которой для простоты выбрана декартова прямоугольная система координат на плоскости.

Моделирование с помощью тел - это самый удобный способ трехмерного моделирования. Твердотельный объект, или тело, представляет собой изображение объекта, хранящее, помимо всего прочего, информацию о его объемных свойствах. Следовательно, тела наиболее полно из всех типов трехмерных моделей отражают моделируемые объекты.

Оболочка тела состоит из набора граней, которые строятся на основе поверхностей, входящих в структуру данных грани. Грани стыкуются между собой по ребрам, лежащим на линиях пересечения граней. Топологический объект ребро строится на основе линии пересечения поверхностей, стыкующихся в ребре граней. Пусть в ребре стыкуются

грани, построенные на поверхностях г(м,у) и о,Ь) . Линия пересечения граней описывается двумя поверхностями и двумя двумерными линиями - каждая в пространстве параметров соответствующей поверхности. На грани, базирующейся на поверхности

, двумерную линию обозначим векторной функцией

, а на грани, базирующейся на поверхности а,Ъ),

двумерную линию обозначим векторной функцией

Таким образом, линию пересечения граней, на которой базируется

ребро, будем записывать в виде

ш=

ш=

у(0 а( О Ь«)

=[«(/моГ,

= [а(/ЖОГ ,

/ <t<t ПИП — — п

Математическая модель тела содержит количественную геометрическую информацию в виде поверхностей, линий и точек их стыковки, топологическую информацию в виде связей точек

поверхности тела между собой и информацию о последовательности и способах построения в виде дерева построения.

Построение отдельных тел и сборок должно сопровождаться протоколом построения, т.е. деревом построения, позволяющим выполнять редактирование тел и их сборок, создавать наборы однотипных моделей и управлять ими.

Трехмерные модели представляют собой объекты с обеспечением логической связности информации, в частности благодаря введению понятия о материале и его физических свойствах (плотности, теплопроводности и др.). На основании этого можно получить не только внешний вид, соответствующий данному материалу по текстуре, фактуре и цвету, но и рассчитать массоинерционные характеристики. Следует отметить, что в настоящее время трехмерное моделирование используется не только в проектно-конструкторской деятельности. Пространственные модели объектов широко применяются в рекламе и презентации, в издательской деятельности, в дизайне, искусстве и других областях.

Таким образом, мощные современные графические станции и быстро догоняющие их по производительности персональные компьютеры, с одной стороны, и математические методы моделирования геометрии твердого тела, с другой, создали реальную предпосылку подъема возможностей САПР на качественно новую ступень.

Третья глава посвящена созданию компьютерных технологий многовариантного параметрически-управляемого геометрического моделирования и конструирования. Здесь даны основы алгоритмизации в многовариантном моделировании, проведен анализ и выбор языковой среды, предложены методы и алгоритмы параметризации в геометрическом моделировании на плоскости и в пространстве, описана технология разработки объектно-ориентированного пользовательского интерфейса, включающего структуры объектно-ориентированных каскадных падающих, диалоговых пиктографических меню, а также специализированных инструментов.

Для создания параметризированной модели геометрического объекта помимо инструментальных средств базовой графической среды требуется алгоритмический язык, позволяющий описать модель программно. В настоящее время существует большое разнообразие языков программирования. Анализ языковой среды показал, что для решения задач параметрически-управляемого геометрического моделирования наиболее подходящим является язык АЩоЫБР.

Значительная часть математического обеспечения AutoCAD написана на этом языке - одном из диалектов языка программирования искусственного интеллекта LISP, используемого в символьной обработке, и в сочетании с методами объектно-ориентированного программирования хорошо подходящая для разработки рисунков, чертежей, и имеющая место в проектировании с использованием компьютерных технологий.

Существует несколько подходов к реализации поставленной задачи. Интерес представляет многовариантный метод формирования параметризированной модели геометрического объекта. Многократно используя пооперационную обработку заготовки детали, можно получать чертежи деталей очень широкого класса. Более того, если все способы обработки независимы друг от друга, то, добавив даже одну новую операцию, значительно расширяется разнообразие получаемых чертежей.

Функциональный элемент, с точки зрения разработчика программного обеспечения, - это одна параметрическая обработка заготовки. При обработке модели заготовки необходимо корректно модифицировать весь ее чертеж. Отсюда некоторая двойственность термина «функциональный элемент»: с одной стороны, это технологическая операция над деталью-заготовкой, а с другой -программа, модифицирующая чертеж заготовки.

Разработчик программного обеспечения должен учитывать независимость функциональных элементов. Это означает, что разработанные команды должны модифицировать любой чертеж заготовки без учета того, в какой последовательности и с помощью каких средств формировался чертеж. Программа значительно упрощается при решении аналогичной задачи средствами объемного моделирования.

На рис. 9 приведены варианты результатов работы созданных программ, формирующих параметрически управляемую модель комплексной детали.

Таким образом, предлагаемые методы и алгоритмы параметризации в геометрическом моделировании позволяют решить при разработке объектно-ориентированных систем автоматизированного

проектирования важнейшую задачу, обеспечивающую возможность создания параметрически управляемых геометрически моделей объектов, и как следствие, - обеспечить многовариантное конструирование.

Рис. 9. Примеры вариантов параметрически управляемой комплексной

детали

Поскольку AutoCAD является базовой графической средой с характерной ему открытой архитектурой, - он поддерживает объектно-ориентированную технологию и содержит средства создания пользовательского интерфейса, обеспечивающего комфортный диалог разработчика с компьютером, а следовательно, ускоряющего формирование конструкторских документов и решение задач, ориентированных на конкретный объект.

Чтобы создать собственное объектно-ориентированное меню, необходимо модифицировать исходный файл меню AutoCAD и перекомпилировать его. Исходные ASCII-файлы меню называются acad.mnu и acad.mns. При первой загрузке файл acad.mnu компилируется под именем acad.mnc в двоичный файл, содержащий строки команд, описание функций, внешнего вида меню и других элементов интерфейса. Во время каждой компиляции acad.mnc генерируется файл ресурсов меню acad.mnr, который представляет собой двоичный файл, содержащий растровые изображения, используемые меню и другими элементами интерфейса.

На рис. 10 приведен пример работы перекомпилированного файла меню с добавлением новых пунктов в строке падающих меню, имеющих несколько уровней каскада и объектно-ориентированное пиктографическое диалоговое окно со слайдами, содержащими изображения проекций деталей в проекционной связи.

Рис. 10. Новое падающее пиктографическое меню

Таким образом, разработанные методы и алгоритмы параметризации в геометрическом моделировании, позволяют решить важнейшую задачу создания параметрически управляемых геометрических моделей объектов, и как следствие, обеспечить возможность многовариантного конструирования при разработке автоматизированных объектно-ориентированных систем. Предложенная методика и технология разработки объектно-ориентированного интерфейса пользователя систем автоматизированного конструирования, создания специализированных инструментов, иерархических каскадных падающих меню, а также диалоговых окон, позволяет разработчику создавать оптимальную объектно-ориентированную среду, а следовательно, оказывает влияние на сокращение сроков и повышение качества выполнения конструкторских работ, т.к. эффективность разрабатываемой САПР в большой степени будет зависеть от грамотно адаптированного к конкретной задаче объектно-ориентированного интерфейса пользователя.

В четвертой главе приведены примеры экспериментального применения теоретических результатов. Показаны общие подходы к разработке конструкторской документации с использованием объектно-ориентированных систем, компьютерные технологии в геометрическое моделирование и конструирование реальных объектов, в том числе и трехмерном. Дана общая оценка эффективности применения предложенных методов конструирования с использованием объектно-ориентированных систем и параметрически-управляемого геометрического моделирования.

В научных трудах соискателя большое место отведено решению проблемы адаптации AutoCAD к объектно-ориентированным задачам, разработке параметрически управляемых моделей, работе с графической базой AutoCAD, дополнению стандартного набора базовой программы новыми командами, специализированными инструментами, разработке интерфейса пользователя, предназначенных для объектно-ориентированных систем, создания собственной среды конструирования.

Объектно-ориентированная технология позволяет превратить базовые программы в предмет специфического отраслевого конструирования, охватывающего сложные реальные объекты.

Структурная схема объектно-ориентированный системы должна содержать компоненты, отраженные на рис. 11.

Объектно-ориентированная система автоматизации _инженерно-графических и конструкторских работ_

Методическое обеспечение Техническое обеспечение Организационное обеспечение

_|Методика конструирования | Компьютер , Перечень документов

Система гиперподскаэок | Сервер Материально- техническая база

Периферийное оборудование

Информационное обе «печение П юграммное обеспечение

1 Нормативно-техническая 1 документация Интерфейс пользователя Операционная система

| База д анных Объектно-ориентированные меню . Базовая графическая среда |

| Библиотека элементов Таблицы данных _| Языки программирования

| Спецификации р иоъектно->рнентированные базы данных _| Системы-надстройки

Рис. //. Структурная схема объектно-ориентированной системы

Усовершенствование технологии объектно-ориентированного моделирования представляет собой качественный переход от просто автоматизированной разработки чертежей к моделям в проектах. Конструирование на основе моделей следует воспринимать как взаимосвязанную информационную сеть, представляющую собой нечто большее, чем геометрия. Поскольку такие проекты помимо геометрической информации могут содержать любые другие данные, необходимые при разработке объекта. Например, спецификации, графики, тепловые или электрические параметры, и даже информацию о ценах комплектующих изделий. Модели объектов позволяют конструкторам и проектировщикам работать в пределах собственных специализированных терминов. Такой подход дает конструктору возможность сконцентрировать свой профессиональный потенциал на разработке устройства, а не на сложной геометрии.

Методические, организационные, практические основы и технология создания структуры и реализации автоматизированных объектно-ориентированных систем, их информационной базы, а также интерфейса пользователя, предлагаемые в данной работе,

проиллюстрированы на примере создания систем автоматизированного конструирования ряда установок: модуля магнетронной распылительной системы; установки термокомпрессионной сушки фоторезиста; установки автоматизированного оптического контроля печатных плат; установки нанесения слоев фоторезиста; роботизированного модуля загрузки полупроводниковых пластин; вибрационного загрузочного устройства с круговым лотком и др. Методика и подход к созданию таких систем могут быть использованы при конструировании устройств любой другой объектной ориентации.

Появление персональных компьютеров с процессорами, обладающими производительностью, достаточной для выполнения операций трехмерного моделирования, позволило сделать его доступным для каждого конструктора. Современные программы могут использоваться как для проектирования простых, так и относительно сложных изделий, включающих 350-400 деталей, а, следовательно, очевидна перспектива перехода от двумерного проектирования к трехмерному. Что дает возможность рассмотреть модель из любой точки зрения, провести инженерный анализ, автоматически генерировать основные и дополнительные виды на плоскости, извлечь характеристики, необходимые для производства, и, наконец, экспортировать модели в анимационные приложения.

Таким образом, с помощью анимированной трехмерной модели можно увидеть на стадии проекта как выглядит и работает устройство. Это позволяет выявить и устранить возможные недостатки конструкции до изготовления опытного образца.

Результаты внедрения показали, что использование предложенной автором методики, основных принципов и технологии разработки объектно-ориентированного интерфейса пользователя систем автоматизированного конструирования, создания специализированных инструментов, иерархических каскадных падающих меню, а также диалоговых окон, позволило разработчику создавать оптимальную объектно-ориентированную среду, а, следовательно:

- сократить сроки разработки изделий благодаря быстрому обмену информационными потоками, ускорению операции по переработке графической и текстовой информации, автоматизации процесса выпуска конструкторской документации;

- уменьшить стоимость разработки изделия благодаря снижению затрат на переделки проекта из-за уменьшения концептуальных ошибок, свойственных начальным этапам проектирования, высвобождению для

творческой работы специалистов, занятых рутинными операциями по обработке графической информации, замене ряда экспериментов, связанных с натурным моделированием на дорогостоящем оборудовании, численным моделированием на ЭВМ;

- повысить качество проектирования благодаря многовариантному конструированию, более детальной и глубокой проработке конструкторских решений, вооружить конструктора новыми методами и техническими средствами, позволяющими расширять диапазон его возможностей в принятии принципиально новых технических решений.

Анализ временных затрат на ручное и автоматизированное изготовление КД был проведен на примере разработки сборочного чертежа электронного устройства с унифицированными свинчиваемыми конструкциями, установленными стандартными радиоизделиями и прочими конструктивными элементами. На ручное изготовление чертежа потребовалось 20 часов. Разработка чертежа в среде объектно-ориентированной системы заняла 3 часа. Сравнительные характеристики времени, затраченного на изготовление чертежей, приведены на рис.12.

|||ифини— работе

|р<гдматюирпеа1»цй В Руной метод]

Рис. 12. Сравнительные характеристики различных методов разработки КД

Поскольку при проведении анализа за основу взяты общепринятые данные по затратам времени на ручное конструирование (конструирование - 15%, черчение - 70%, корректировка и ведение архивов - 15%), то данные приведенные в вышеупомянутых таблице и рисунке, могут быть использованы при определении эффективности внедрения объектно-ориентированных систем, обеспечивающих многовариантное конструирование на базе параметрически

управляемого геометрического моделирования любой тематической ориентации.

Таким образом, на ряде примеров разработанных объектно-ориентированных систем показано, что продемонстрированные развитые структуры систем, включающие специализированные инструменты, падающие каскадные иерархические меню, диалоговые пиктографические окна, адаптированные информационные базы делают работу конструктора эффективной и высокотехнологичной, сокращая время на разработку конструкторской документации и повышая качество изделия.

В заключении приведены основные теоретические и практические результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложениях представлены документы о внедрении результатов диссертационной работы; фрагменты текстов программного обеспечения объектно-ориентированных систем; примеры типовых табулированных программных инструментов; фрагменты компьютерной тренинг-системы изучения типовых табулированных программных инструментов базовой графической среды.

Основные результаты диссертационной работы

1. В диссертационной работе решена научная проблема, имеющая важное значение для автоматизации инженерно-графических и конструкторских работ. Показано, что основными задачами является развитие технологии автоматизации процесса инженерной графики на базе типовых табулированных программных инструментов и разработки объектно-ориентированных систем с использованием параметрически-управляемого геометрического моделирования.

2. Впервые разработана научно-обоснованная обобщенная структурная модель, архитектура, технология и сценарий создания интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов, которые могут быть взяты за основу при разработке компьютерной тренинг-системы изучения любой базовой графической среды.

3. Впервые, на основе предложенной автором концептуальной модели разработана и внедрена оригинальная, не имеющая аналогов мультимедийная интерактивная компьютерная тренинг-система изучения базовой графической среды AutoCAD на базе типовых табулированных программных инструментов. Структура,

выверенный логический маршрут и дизайн системы обеспечивают минимальные временные затраты на освоение базовой графической среды и, что важно, предлагаемая тренинг-система может быть эффективна, как для начинающего пользователя, не знакомого с методами автоматизированного геометрического моделирования и компьютерными технологиями, так и для опытного пользователя предыдущих или последней версий программы, имеющего цель углубленного изучения как в очной, так и в дистанционной форме.

4. На основе предлагаемой автором диссертации технологии разработан учебно-методический комплекс позволяющий решить важнейшие задачи внедрения в учебно-производственный процесс новых компьютерных технологий, а также предоставить возможность повышать квалификационный уровень специалистов с помощью дистанционного обучения.

5. Разработаны и предложены методы и алгоритмы параметризации в геометрическом моделировании, позволяющие решить важнейшую задачу создания параметрически управляемых геометрических моделей объектов, и как следствие, обеспечить возможность многовариантного конструирования при разработке автоматизированных объектно-ориентированных систем.

6. На основе сформированных теоретических положений предложена методика, сформулированы основные принципы и технология разработки объектно-ориентированного интерфейса пользователя систем автоматизированного конструирования, создания специализированных инструментов, иерархических каскадных падающих меню, а также диалоговых окон. Это позволяет разработчику создавать оптимальную объектно-ориентированную среду, а следовательно, оказывает влияние на сокращение сроков и повышение качества выполнения инженерно-графических и конструкторских работ.

7. Результаты внедрения показали, что использование разработанной автором мультимедийной интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов позволяет сократить в 40 раз временные затраты на освоение базовой графической среды, а, следовательно, решить проблему автоматизации инженерно-графических работ с помощью компьютерных технологий; в 25-30 раз сократить время на организацию информационного обеспечения учебно-производственного процесса; повысить на 20-30 % эффективность

работы конструктора при использовании разработанных объектно-ориентированных систем имеющих развитые структуры и адаптированные информационные базы.

Основные научные труды соискателя по тематике диссертации:

1. Э.Т.Романычева, Т.Ю.Трошина и др. Машинная графика в процессе автоматизации проектно-конструкторских й чертежно-графических работ // Электронная промышленность. - 1982. - n ISSN 0207-6357 № 9( П 5). - с.2 J -23.

2. Т.Ю.Трошина. Автоматизированное изготовление КД на сборочные чертежи печатных узлов: Сборник статей XI Всесоюзного совещания-семинара "Современная база ЭВМ и методы ее проектирования с помощью ЭВМ". - М.гМИЭМ, Л ЭТИ, СГУ. - 1983. - с.43-45.

3. Т.Ю.Трошина. Программное обеспечение подготовки и получения конструкторской документации на сборочные чертежи печатных узлов, применяемых в РЭА: Сборник тезисов Всесоюзного совещания-семинара "Теоретические и прикладные вопросы разработки, внедрения и эксплуатации САПР РЭА" - М.:МАИ, ОПИ,- 1984.-C.32-35.

4. Т.Ю.Трошина. Методика автоматизированного конструирования и разработки конструкторской документации на электронные блоки и печатные платы: Сборник тезисов Всесоюзного совещания-семинара "Автоматизация, интеллектуализация и роботизация производства" - М.:МИЭМ. - 1985 - с.5-10.

5. Т.Ю.Трошина, Л.Глуховский. Автоматизированное выполнение спецификации: Сборник тезисов XYII студенческой Межвузовская научно-техническая конференции. - М.:МИЭТ. -1985.-c.9-IO.

6. Э.Т.Романычева, Т.Ю.Трошина и др. Автоматизация разработки и выполнения конструкторской документации // Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебного пособия для студентов электротехнических и приборостроительных специальностей вузов. - М.:Высшая школа. -1990.-176 с.

7. Э.Т.Романычева, Т.Ю.Трошина, др. Трехмерное моделирование в AutoCAD 14. AutoLISP. - М.:ДМК. - 1999. - 344 с.

8. Э.Т.Романычева, Т.Ю.Трошина. AutoCAD 2000. - М.:ДМК. -1999.-320 с.

9. Э.Т.Романычева, Т.Ю.Трошина, и др. Инженерная и компьютерная графика (+ CD) // Учебник для вузов с дистанционным обучением. - М.:МИЭТ. - 1999. - 1000 с.

10. Э.Т.Романычева, Т.Ю. Соколова. Компьютерные технологии инженерной графики в среде AutoCAD 2000. AutoLISP (+ CD) // Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия. - М.:ДМК. - 2000. - 700 с.

11 Э.Т.Романычева, Т.Ю. Соколова, и др. Инженерная и компьютерная графика (+ CD) // Допущен Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника. -М.:ДМК. - 2000. - 700 с.

12. Т.Ю. Соколова. AutoCAD 2004. Англоязычная и русская версии (+CD). - М.:ДМК Пресс. - 2004. - 600 с.

13. Т.Ю. Соколова. AutoCAD 2005 (+CD). - Спб.:Питер. - 2005. - 448 с.

14. Т.Ю. Соколова. AutoCAD 2005 для студента. Популярный самоучитель. - Спб.:Питер. - 2005. - 320 с.

15. Т.Ю. Соколова. AutoCAD 2005. Библиотека пользователя (+CD). -Спб.:Питер. - 2005. - 544 с.

16. Т.Ю. Соколова. AutoCAD 2005. Легкий старт. - Спб.гПитер. -2005.-200 с.

17. Н.Д. Дубовой, Т.Ю. Соколова. Автоматизация технологического учебно-производственного процесса конструирования на базе компьютерных тренинг-систем. // Естественные и технические науки. - 2005. - ISSN 1684-2626. - № 4( 18). - с. 180-183.

18. Н.Д. Дубовой, Т.Ю. Соколова. Методы и алгоритмы параметризации в геометрическом моделировании. // Техника и технология. - 2005. - ISSN 1811-3532. -№ 4(10). -с.9-11.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. .Тираж 80 экз. Заказ

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

L

119068

РНБ Русский фонд

2006-4 16390

I

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОЦЕССЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1.1. Состояние проблемы.

1.2. сравнительный анализ существующих систем автоматизированного конструирования.

1.3. Этапы моделирования на базе компьютерных технологий.

1.4. Этапы становления и принципы создания систем автоматизированного конструирования.

1.5. Постановка целей и задач диссертационной работы.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НА БАЗЕ НАБОРА ТИПОВЫХ ТАБУЛИРОВАННЫХ ПРОГРАММНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ.

2.1. Общие положения.

2.2. структурная модель и технология создания интерактивной компьютерной тренинг-системы

2.3. Классификация функциональных возможностей компьютерной тренинг-системы

2.4. Основы геометрического моделирования на плоскости.

2.5. Трехмерное геометрическое моделирование.:.Т.

2.6. Организационное, методическое, информационное и программное обеспечение автоматизации процесса инженерной графики. выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОВАРИАНТНОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКИ-УПРАВЛЯЕМОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ.

3.1. Основы алгоритмизации в многовариантном моделировании и конструировании

3.2. Анализ и выбор языковой среды.

3.3. Методы и алгоритмы параметризации в геометрическом моделировании.

3.4. Параметрически-управляемое геометрическое моделирование в трехмерном пространстве.

3.5. Технология разработки объектно-ориентированного пользовательского интерфейса

3.6. Исследования структуры объектно-ориентированных падающих и диалоговых пиктографических меню.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ. ПРИМЕРЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ

РЕАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ.

4.1. Общие подходы к разработке конструкторской документации с использованием объектно-ориентированных систем.

4.2. Геометрическое моделирование и конструирование реальных объектов.

4.3. Компьютерные технологии в трехмерном моделировании реальных объектов.

4.4. Общая оценка эффективности применения предложенных методов конструирования с использованием объектно-ориентированных систем и параметрически-управляемого геометрического моделирования.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Постоянно растущий уровень компьютерных технологий, динамичное развитие программных и аппаратных средств влекут за собой бурный переход от традиционных, методов ведения проектно-конструкторских работ к использованию новых автоматизированных систем разработки и выполнения конструкторской документации. На сегодняшний день производство продукции мирового класса возможно только на соответствующем оборудовании и с использованием современных средств автоматизации. Ни одно предприятие, ведущее разработки сложных технических объектов, теперь не обходится без использования компьютеров и мощного программного обеспечения, позволяющего гармонично сочетать форму и содержание проекта, оптимизировать процесс разработки и выполнения конструкторской документации при многократном использовании имеющихся данных. Базовые графические системы обогащают, но не усложняют возможности творческого поиска конструкторов, поскольку обладают высокотехнологичными и удобными, простыми в обращении инструментами, при помощи которых в одном проекте реализуются замыслы целой команды проектировщиков и требования заказчиков. На базе универсальных графических систем разрабатываются автоматизированные рабочие места (АРМ) конструкторов, технологов, архитекторов, схемотехников и многих других разработчиков.

В последнее время все больше утверждается оригинальный подход к автоматизации конструкторской деятельности, в основе которого - создание трехмерных геометрических представлений графических моделей изделий. Современный уровень развития компьютерных технологий позволяет создавать пространственные модели объектов с практически неограниченными возможностями, обеспечивая большую достоверность решения геометрических и других задач для пространственной модели, что позволяет перейти на качественно новый уровень разработки. Кроме того, возможно использование пространственной модели для расчетов, а также применение математического моделирования конструируемых изделий и процессов, включая кинематические схемы. Это еще больше сокращает временные, кадровые и материальные затраты на разработку. ф В настоящее время существует множество графических редакторов и систем геометрического моделирования: AutoCAD, Компас, T-flex, Solid-Works и др. Но какой универсальной и совершенной ни была бы базовая графическая среда, задача перехода на новую технологию проектно-конструкторских работ требует современных методик обучения конструкторов и разработчиков объектно-ориентированных систем автоматизированного конструирования, в которых центральное место занимают методы компьютерного моделирования, как нового используемого инструмента. Важной проблемой при решении этой задачи является разработка подхода, методики и технологии создания структуры объектно-ориентированных систем, их информационной среды, интерфейса # пользователя, специализированных инструментов, а также методов и алгоритмов программирования при параметрически управляемом геометрическом моделировании.

Такой подход к проблеме автоматизации вовлекает разработчика в мир конструирования без границ, предоставляя ему среду, работа в которой становится более производительной и творческой.

В последнее время опубликовано значительное количество работ, посвященных проблеме автоматизации конструирования изделий в различных отраслях промышленности. Пути их решения освещены в работах как ^ отечественных ученых - Б.Н.Добренько, А.В.Россоловского, Г.Г.Казеннова, И.П.Норенкова, В.А.Селютина, Д.И.Томашевского, Г.П.Вяткина, Н.Н.Крылова, А.А.Чекмарева, так и зарубежных - Э.Финкельштейн, Дж. Лича, И.Гардана и МЛюка, Дж. Фоли, и др. [1- 8].

В работах Г.Г.Казеннова на системном подходе изложены принципы построения высокопроизводительных автоматизированных систем проектирования, рассматривается их общая структура и основы построения. Освещаются методологические проблемы создания систем автоматизированного проектирования и автоматизированных систем технологической подготовки производства, описываются их важнейшие составляющие: технические средства, прикладное и системное программное обеспечение, информационное, лингвистическое и организационное обеспечение. [1, 2].

Работы И.П.Норенкова посвящены основам теории и проектирования систем автоматизированного проектирования технологических объектов. Основное внимание уделяется принципам проектирования, моделям, алгоритмам и методам, применимым во многих областях техники. Общие положения иллюстрируются конкретными примерами использования методов и средств автоматиз ированного проектирования.

Интерес представляют работы Н.Н.Голованова, в которых излагаются методы построения математической модели геометрических объектов с помощью компьютерных технологий, приводятся основные сведения из дифференциальной геометрии, топологии, вариационного исчисления, численных методов, а также теория 5-сплайнов. Большое внимание автор уделяет методам моделирования различных кривых, поверхностей и тел, алгоритмам выполнения операций над ними и вычислениям их геометрических характеристик. Автор также описывает принципы установления вариационных зависимостей параметров геометрических объектов [9].

Большую практическую ценность имеют работы А.Потемкина, ориентированные на решение проблем, связанных с разработкой конструкторской документации с помощью систем автоматизированного проектирования. Большое внимание автор уделяет современным методам трехмерного твердотельного моделирования механических деталей на персональном компьютере [10,11].

Тем не менее, непрерывное совершенствование математического и программного обеспечения систем автоматизированного конструирования требуют развития подходов и методов к проблеме автоматизации конструирования на базе компьютерных технологий. Проведенный автором диссертации анализ множества публикаций показал, что практически отсутствуют материалы и разработки, посвященные автоматизации инженерно-графических работ на базе типовых табулированных инструментов и автоматизированных объектно-ориентированных систем с использованием параметрически-управляемого геометрического моделирования. Поэтому разработка методики и технологии автоматизации инженерно-графических работ, включающая создание структуры и сценария интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов, а также, разработка подхода к созданию объектно-ориентированных систем и специализированных инструментов с использованием параметрически управляемого геометрического моделирования представляет собой сложную научную проблему, решение которой является своевременным и актуальным.

Работа над данной проблемой ведется автором диссертации непрерывно в течение многих лет. Научные исследования и практические разработки соискателя нашли применение и внедрены как в производственный, так и в учебный процесс.

Целью диссертации являются исследование и разработка эффективных методов и алгоритмов автоматизация инженерно-графических работ на базе типовых табулированных программных инструментов и параметр ически-управляемого геометрического моделирования.

Реализация поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Создание и реализация структурной модели мультимедийной интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов.

2. Разработка методов, алгоритмов и технологии программирования при параметрически управляемом геометрическом моделировании;

3. Определение подхода и методики создания структуры и реализации объектно-ориентированных систем, их информационной базы, интерфейса пользователя, а также специализированных инструментов.

4. Разработка учебно-методического комплекса, обеспечивающего внедрение средств автоматизации в очный и заочный дистанционный учебно-производственный процесс выполнения инженерно-графических и конструкторских работ на базе компьютерных технологий;

Весь этот комплекс актуальных задач характеризуется как теоретическое обобщение и решение научно-технической проблемы, направленной на повышение эффективности математического, программного и информационного обеспечения автоматизации инженерно-графических и конструкторских работ.

Методы исследования. При исследовании проблем, сформулированных в диссертационной работе, и решении поставленных задач автоматизация инженерно-графических работ на базе типовых табулированных программных инструментов и параметрически-управляемого геометрического моделирования использовались методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методики и технологии автоматизации инженерно-графических работ на базе типовых табулированных программных инструментов и параметрически-управляемого геометрического моделирования.

Ниже приводятся наиболее важные, научно обоснованные достижения автора диссертации:

1. Предложенные автором подход, структура и технология создания мультимедийных интерактивных компьютерных тренинг-систем на базе типовых табулированных программных инструментов.

2. Разработанные методы, алгоритмы и технология создания параметрически управляемых геометрических моделей.

3. Впервые разработанные методические и практические основы создания структуры и реализации автоматизированных объектно-ориентированных систем, их информационной базы, интерфейса пользователя, а также специализированных инструментов.

4. Модель учебно-методического комплекса, обеспечивающего внедрение средств автоматизации в учебно-производственный процесс выполнения инженерно-графических работ на базе компьютерных технологий, включающий методическое, организационное, информационное и программное обеспечение.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные подходы, методики, алгоритмы и разработки позволяют существенно поднять уровень и эффективность выполнения инженерно-графических работ, автоматизировать технологический учебно-производственный процесс разработки и выполнения конструкторской документации на базе компьютерных технологий. А следовательно, снизить экономические, временные затраты и кадровые ресурсы, а также повысить качество разрабатываемых изделий.

Основные результаты диссертационной работы были использованы в НИР [12-23], что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Материалы диссертационной работы, а также мультимедийная интерактивная компьютерная тренинг-система изучения базовой графической среды использованы в учебном процессе МИЭТ (ТУ) (в лекционных курсах, лабораторных работах, курсовых и дипломом проектированиях), что подтверждено актом внедрения.

Результаты диссертационной работы использованы при проведении 11 научно-исследовательских работ, что отражено в отчетах [12-23]. Результаты исследований нашли широкое внедрение и практическое использование на предприятиях и в вузах. Так внедрены: объектно-ориентированная система автоматизированного конструирования и выпуска конструкторской документации на электронные устройства с унифицированными свинчиваемыми конструкциями [12, 18, 19]; компьютерная тренинг-система изучения базовой графической среды AutoCAD [23-28]; учебно-методический комплекс, обеспечивающий автоматизацию технологического учебно-производственного процесса разработки и выполнения конструкторских работ на базе компьютерных технологий, включающий методическое, организационное, информационное и программное обеспечение [29-39].

Разработанные в диссертации подходы и методики, направленные на повышение качества инженерно-графических и конструкторских работ, реализованы в объектно-ориентированных системах автоматизированного конструирования ряда установок: модуля магнетронной распылительной системы; установки термокомпрессионной сушки фоторезиста; установки автоматизированного оптического контроля печатных плат; установки нанесения слоев фоторезиста; роботизированного модуля загрузки полупроводниковых пластин; вибрационного загрузочного устройства с круговым лотком и др. А также в НИР по программе «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» на 2000-2001 г.г., проводимом Министерством образования Российской Федерации [20]. Так, получен и реализован заказ по теме «Разработка и создание электронных систем очного и дистанционного обучения автоматизации выполнения конструкторской документации в области автоматики, электроники, микроэлектроники, радиотехники и др.» (соискатель являлся ответственным исполнителем). Проводимая автором диссертации научноисследовательская работа получила фант Минобразования России по фундаментальным исследованиям в области технических наук 2001 года в разделе «Автоматика и телемеханика, вычислительная техника, связь, метрология» (соискатель являлся ответственным исполнителем).

Таким образом, основные теоретические результаты предлагаемой работы обобщены и доведены до удобного для практического использования вида.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Методы и технологии автоматизации процесса инженерной графики на базе типовых табулированных элементов и параметрически-управляемого геометрического моделирования.

2. Методы, алгоритмы и технология программирования при параметрически управляемом геометрическом моделировании.

3. Модель и технология разработки мультимедийной интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов.

4. Методические, практические основы и технологии создания структуры и реализации автоматизированных объектно-ориентированных систем, их информационной базы, а также интерфейса пользователя, включающего объектно-ориентированные падающие, пиктографические меню, диалоговые окна, специализированные инструменты, слайд-библиотеки.

5. Модель методического комплекса, обеспечивающего внедрение средств автоматизации в учебно-производственный процесс выполнения инженерно-графических работ на базе компьютерных технологий, включающий методическое, организационное, информационное и программное обеспечение.

6. Результаты внедрения теоретических исследований в промышленное производство, подтвержденное соответствующими актами.

Вклад автора в разработку проблемы. Все теоретические и практические результаты диссертационной работы разработаны и получены лично автором.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на всесоюзных, Российских и отраслевых конференциях [39-53], получили положительную оценку и успешно использовались как в производстве на предприятиях, так и в учебных процессах вузов.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 39 печатных работ, в том числе: 11 в центральных издательствах, 5 без соавторов; 1 из которых - учебник для вузов, по направлениям "Информатика и вычислительная техника", "Конструирование и технология электронной аппаратуры" и специальностям "Системы автоматизированного проектирования", "Электронное машиностроение", "Радиотехника" с грифом Министерства образования Российской Федерации ("Инженерная и компьютерная графика"); 2 - учебные пособия для электротехнических, приборостроительных специальностей вузов с грифами Государственного комитета СССР по народному образованию и Министерства образования Российской Федерации ("Автоматизация разработки и выполнения конструкторской документации", "Компьютерная технология инженерной графики в среде AutoCAD 2000. AutoLISP"); 8 монографий. Помимо перечисленного издано: 7 статей в журналах и сборниках; 11 тезисов докладов на конференциях; 1 учебник; 8 учебных и методических пособий и указаний; 1 Межвузовский сборник «Научные основы технологий, материалов, приборов и систем электронной техники» под редакцией автора диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 127 наименований и 4 приложений. Общий объем работы 215 страниц, из них 189 страниц основного текста, в том числе 50 страниц таблиц и рисунков, 9 страниц текстов программ. Приложения на 26 страницах содержат акты внедрения, фрагменты программного обеспечения, таблицы табулированных элементов и тренинг-системы.

Выводы по главе 4

1. Разработанные автором методика и технология создания структуры и реализации объектно-ориентированных систем автоматизированного конструирования различных устройств обеспечивают сокращения сроков, повышение качества разработок, что доказывает преимущества компьютерных технологий перед ручными методами конструирования.

2. На ряде примеров разработанных объектно-ориентированных систем показано, что продемонстрированные развитые структуры систем, включающие специализированные инструменты, падающие каскадные меню, диалоговые окна, адаптированные информационные базы делают работу конструктора-проектировщика эффективной и высокотехнологичной, сокращая время на разработку проекта и повышая его качество.

3. Показано, что использование предложенных методов и алгоритмов параметризации геометрических моделей при разработке объектно-ориентированных систем обеспечивают многовариантное конструирование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе решена научная проблема, имеющая важное значение для автоматизации инженерно-графических и конструкторских работ. Показано, что основными задачами является развитие технологии автоматизации процесса инженерной графики на базе типовых табулированных элементов и разработки объектно-ориентированных систем с использованием параметрически-управляемого геометрического моделирования.

2. Впервые разработана научно-обоснованная обобщенная структурная модель, архитектура, технология и сценарий создания интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов, которые могут быть взяты за основу при разработке компьютерной тренинг-системы изучения любой базовой графической среды.

3. Впервые, на основе предложенной автором концептуальной модели разработана и внедрена оригинальная, не имеющая аналогов мультимедийная интерактивная компьютерная тренинг-система изучения базовой графической среды AutoCAD на базе типовых табулированных программных инструментов. Структура, выверенный логический маршрут и дизайн системы обеспечивают минимальные временные затраты на освоение базовой графической среды и, что важно, предлагаемая тренинг-система может быть эффективна, как для начинающего пользователя, не знакомого с методами автоматизированного геометрического моделирования и компьютерными технологиями, так и для опытного пользователя предыдущих или последней версий программы, имеющего цель углубленного изучения как в очной, так и в дистанционной форме.

4. На основе предлагаемой автором диссертации технологии разработан учебно-методический комплекс позволяющий решить важнейшие задачи внедрения в учебно-производственный процесс новых компьютерных технологий, а также предоставить возможность повышать квалификационный уровень специалистов с помощью дистанционного обучения.

5. Разработаны и предложены методы и алгоритмы параметризации в геометрическом моделировании, позволяющие решить важнейшую задачу создания параметрически управляемых геометрических моделей объектов, и

178 как следствие, обеспечить возможность многовариантного конструирования при разработке автоматизированных объектно-ориентированных систем.

6. На основе сформированных теоретических положений предложена методика, сформулированы основные принципы и технология разработки объектно-ориентированного интерфейса пользователя систем автоматизированного конструирования, создания специализированных инструментов, иерархических каскадных падающих меню, а также диалоговых окон. Это позволяет разработчику создавать оптимальную объектно-ориентированную среду, а следовательно, оказывает влияние на сокращение сроков и повышение качества выполнения инженерно-графических и конструкторских работ.

7. Результаты внедрения показали, что использование разработанной автором мультимедийной интерактивной компьютерной тренинг-системы на базе типовых табулированных программных инструментов позволяет сократить в 40 раз временные затраты на освоение базовой графической среды, а, следовательно, решить проблему автоматизации инженерно-графических работ с помощью компьютерных технологий; в 25-30 раз сократить время на организацию информационного обеспечения учебно-производственного процесса; повысить на 20-30 % эффективность работы конструктора при использовании разработанных объектно-ориентированных систем имеющих развитые структуры и адаптированные информационные базы .

1. Г.Г.Казеннов. Структура, основные требования и принципы построения систем автоматизированного проектирования микроэлектронных приборов. -М.:Машиностроение. -1978. 64с.

2. Г.Г.Казеннов и др. Основы построения САПР и АСТПП. М.:Высшая школа. -1989.-200с.

3. И.П.Норенков. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учебное пособие для вузов. М.:Высшая школа. -1986. - 304с.

4. И.П.Норенков и др. Основы теории и проектирования САПР: Учебник для втузов. М.:Высш.шк. - 1990. - 225с.

5. ФИНКЕЛЬШТЕЙН. AutoCAD 2000: Библия пользователя.: Пер. с англ. -М.:Вильямс. 1999. - 1040с.

6. ЛИЧ ДЖ. Энциклопедия AutoCAD 2002. СПб.: Питер. - 2002. - 1072с.

7. И.Гардан. Машинная графика и автоматизация конструирования: Пер. с франц. М.:Мир. -1087. - 272с.

8. ФОЛИ Дж. и др. Основы интерактивной машинной графики. / под ред. Ю.М.Баяковского. М.:Мир. - 1985. - Книга 1. - 368с.; Книга 2. - 368с.

9. ГОЛОВАНОВ H.H. Геометрическое моделирование. М.:Издательство Физико-математической литературы. - 2002. - 472с.

10. ПОТЕМКИН А. Инженерная графика. Просто и доступно. М.:Лори. - 2001. -492с.

11. П. ПОТЕМКИН А. Трехмерное твердотельное моделирование. -М. ¡КомпьютерПресс. 2002. - ?.96с.

12. Автоматизация разработки и выполнения конструкторской документации на электронные устройства: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. Шифр Норд-90. -№ГР 01900016127. - 1990. - 32с.

13. Исследование возможности реализации графического языка ФАП-КФ на СМ ЭВМ: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. - Шифр 27-ИГ. - УДК № 01825038558. - 1983. - 55с.

14. Внедрение в учебный процесс и дальнейшая разработка учебнометодических материалов для микро-ЭВМ и вычислительных систем180коллективного пользования: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. - Шифр МИЭТ-1. -№ГР 0183.0073678. - 1984. - 75с.

15. Исследование возможности реализации графического языка ФАП-КФ на СМ ЭВМ: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. - Шифр 27-ИГ. - УДК № 01825038558. - 1983. - 55с.

16. Исследование и разработка методов и алгоритмов переработки растровой графической информации: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. - Шифр Конструктор-4. - №ГР 01850026956. - 1986. - 63с.

17. Исследование и разработка прикладных программ графической системы автоматизированного проектирования изделий машиностроения и радиотехники: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. -Шифр Конструюгор-3. - №ГР 01.83.0002950. - 1984. - 113с.

18. Разработка графической подсистемы автоматизированного конструирования электронных блоков на унифицированных свинчиваемых каркасах: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. - Шифр Ника. - №ГР 0187.0020190.- 1985.-359с.

19. Разработка и внедрение в учебный процесс компьютерной технологии оформления КД на электрическую принципиальную схему и электронный блок: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. - Шифр МИЭТ-9-93. - №ГР 01930004254.- 1993.-56с.

20. Разработка учебно-методических материалов для микро-ЭВМ и автоматизированных систем диалогового обучения: Отчет о НИР/МИЭТ; Научн. руковод. Романычева Э.Т. - Шифр МИЭТ-1. - №ГР 01840081744. -1985.-93с.22.