автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Методы организации функционального взаимодействия приложений в расширяемых графических САПР

Список сокращений и условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор существующих архитектурных решений САПР.

Глава 2. Принципы построения архитектуры расширяемой функционально-т геометрической модели САПР.

2.1 Понятие и структура объектов САПР.

2.1.1 Общее понятие объекта.

2.1.2 Ограничения. ф 2.1.3 Литеральные объекты.

2.1.4 Понятие и структура функциональных моделей в САПР.

2.2 Геометрическое представление объектов.

2.2.1 Описание геометрии контурных объектов.

2.2.2 Описание поверхностей.

2.2.3 Твердые тела.

2.3 Логическая организация проектных данных. ф 2.4 Система управления прикладными данными в моделях объектов.

2.4.1 Инкапсуляция произвольных прикладных данных.

2.4.2 Инкапсуляция геометрических трансформируемых данных.

2.4.3 Активные компоненты функциональной модели.

2.4.5 Механизмы удовлетворения ограничений.

Глава 3. Описание программных реализаций системы.

3.1 Общие технические требования к системе.

3.2 Дизайн и реализация системы.

3.2.1 Основные подсистемы и базовые библиотеки.

3.2.2 Model/View представление.

3.2.3 Управление Undo/Redo.

3.2.4 Реализация инструментов.

3.2.5 Пользовательский интерфейс.

3.2.6 Реализованные расширения системы.

3.3 Экспериментальная оценка производительности системы.

Глава 4. Примеры прикладных решений.

4.1 Система проектирования промышленных коммуникаций.

4.2 Моделирование кинематики.

4.3 Программный стенд для геометрического решателя.

4.4 Параметрическое моделирование судостроительных конструкций.

4.5 Проектирование и конструирование мебели и торгово-выставочного оборудования.

Актуальность темы.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) - одна из наиболее динамично развивающихся областей применения компьютеров. Непрерывное повышение производительности компьютеров сопровождающееся одновременным расширением возможностей средств разработки программного обеспечения являются ключевыми тенденциями, вызывающими практический интерес широкого круга пользователей средствам компьютерной графики и, в частности, системам геометрического моделирования и САПР. К настоящему времени созданы и находятся в эксплуатации десятки профессиональных систем геометрического моделирования, однако, их архитектура, структуры данных и методы организация взаимодействия данных, традиционно применяемые в них, имеют ряд узких мест.

Каждая новая прикладная задача, как правило, решается путем разработки специализированных модулей, для работы которых требуются структуры данных, не предусмотренные для обработки ядром системы, вследствие чего возникают коллизии в использовании ранее или параллельно разработанных модулей. Проблема усугубляется тем, что на этапе разработки базовой САПР достоверно не могут быть известны все задачи, для которых она будет применяться в будущем.

Диссертационная работа посвящена разработке архитектуры и выбору базовых алгоритмов инструментальной САПР общего назначения для создания смешанных функционально-геометрических моделей, с возможностью инкапсуляции разнородной, в том числе динамической, информации негеометрического характера в модели проектируемых объектов и организации автоматического взаимодействия таких моделей.

Цель работы

Целью работы является создание архитектуры инструментального ядра САПР и выбор базовых алгоритмических решений, обеспечивающих автоматическое функциональное взаимодействие независимо разработанных приложений, разработка методов и средств для построения программных систем для синтеза, хранения, отображения и анализа функционально-геометрических моделей объектов, ориентированных на использование в расширяемых системах автоматизированного проектирования промышленных изделий.

Методы исследований.

Для достижения поставленной цели используются методы системного анализа существующих решений, сопоставление известных архитектур систем, экспериментальная проверка выработанных решений путем тестовых программных реализаций и сравнения их с аналогами.

Основные задачи работы:

1. Построение архитектуры базовой САПР, обеспечивающей разработчикам проблемно-ориентированных приложений возможность моделировать проектируемые объекты как в виде геометрических, так и в виде аналитических и эмпирических описаний и комбинаций этих описаний.

2. Выбор набора базовых алгоритмов, обеспечивающего расширяемость проектной среды, возможность добавления описаний новых объектов в уже существующие модели и обеспечение взаимодействия этих объектов.

3. Разработать эффективные методы представления, хранения, внедрения в проектную базу данных и управления разнородными данными, статическими ресурсами и активных компонентами проблемно-ориентированных систем автоматизированного проектирования.

4. Разработать программный и пользовательский интерфейс для доступа к интегрированным функционально-геометрическим моделям.

5. Выработать требования и апробировать инструментальные средства проектирования и разработки активных компонент функционально-геометрических моделей.

Научная новизна работы

На основе анализа формальных моделей объектов, применяемых в САПР, сформулирован новый системный набор принципов построения архитектуры базовой САПР, обеспечивающей автоматическое взаимодействие расширяемые функционально-геометрических описаний моделей:

1. Инкапсуляция в проектные данные геометрических, литеральных и функциональных описаний объектов.

2. Минимизация и унификация набора базовых геометрических представлений и используемых алгоритмов головной системы.

3. Обеспечение возможности программно переопределять в приложениях базовые методы и классы, реализующие модель проектируемого объекта.

На основе этих принципов разработана архитектура базовой САПР и осуществлена ее программная реализация.

Все полученные автором результаты, вошедшие в диссертацию, являются новыми и своевременно опубликованными.

Практическая ценность работы:

1. Предложены и реализованы схемы совмещенного описания и хранения разнородных данных в системах функционально-геометрического моделирования, позволяющие создавать, совместно хранить и анализировать элементы моделей объектов как в виде аппроксимации геометрии, так и в виде аналитических или эмпирических описаний.

2. Предложенная технология обеспечивает внедрение активных компонент в статическую геометрическую модель.

3. Созданы методы разработки интегрированных проблемно-ориентированных программно-информационных комплексов.

4. Реализованы базовые и прикладные алгоритмы в виде законченных программных компонент, позволяющих разрабатывать прикладные системы автоматизированного проектирования.

На защиту выносятся основные положения и результаты, сформулированные в Заключении.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении" (г. Новосибирск, НГТУ 1995), выставках "Компьютерная графика в архитектуре и дизайне" (г. Новосибирск, НАрхИ 1995), ежегодной международной выставке "Сибкомпъютер" (г. Новосибирск, ежегодно с 1995 г), международной выставке СеВ1Т'96 (Ганновер, ФРГ, 1996г), международной выставке SMAU'97 (Милан, Италия, 1997г), научно-технических семинарах ИСИ СО РАН и кафедры газодинамических импульсных устройств НГТУ, международных конференциях isiCAD-2004 и Graphicon-2005.

Публикации

Материалы диссертации изложены в работах:

1. Малюх В.Н. Программируем САПР на Java. «САПР и Графика», М. Изд-во Компьютер Пресс, № 12,1998, с 65-67

2. Малюх В.Н. Разработка специализированных приложений в САПР bCAD. «Автоматизация проектирования», М., изд. РАН, № 2, 2000 с15-18,

3. Бахтин И.Н., Малюх В.Н., Архитектура интерфейса прикладного программирования в САПР bCAD. "САПР и Графика" М. Изд-во Компьютер Пресс, №3,2000, с 20-26.

4. Malukh V.N. Intelligent capabilities for small CAD systems: problems and perspectives. Сборник докладов на международной конференции isiCAD-2004, Новосибирск, июнь 2004, с. 311-312.

5. Malukh V.N., Nickitin A.G. Modern Architecture of light-weight CAD. Сборник докладов на международной конференции Graphicon -2005, Новосибирск, июнь 2005, с. 111-113.

Внедрение результатов работы.

На основе результатов исследовательских работ разработана расширяемая среда для создания проблемно-ориентированных систем автоматизации выполнения проектных работ и, на ее базе, широкий набор специализированных прикладных систем для различных отраслей. Создана универсальная система автоматизированного проектирования bCAD и, на ее базе, ряд прикладных систем, которые используется в сотнях предприятий и организаций Российской Федерации, стран СНГ и дальнего зарубежья в частности:

Новосибирский филиал ОКБ им. Сухого

Институт Прикладной Физики, г. Новосибирск

Концерн БФК, г. Новосибирск

Завод Торгового Оборудования, г. Новосибирск

ГУЛ СК "Краевая техническая инвентаризация", г. Ставрополь

ЗАО «Первая мебельная фабрика», г. Москва.

Новосибирский Государственный Технический Университет

Iowa State University, США

University of Maryland, США

Altendorf GmbH, ФРГ. и других.

Основные результаты диссертационной работы перечислены ниже.

1. На основе системного анализа определены принципы построения архитектуры САПР, обеспечивающей разработку автоматически взаимодействующих прикладных расширений базовой системы.

2. На основе этих принципов разработана архитектура САПР, обеспечивающая создание проблемно-ориентированных внешних приложений способных моделировать проектируемые объекты как в виде геометрических, так и в виде функциональных моделей и комбинаций этих описаний,

3. Определен набор базовых алгоритмов, обеспечивающий расширяемость проектной среды, возможность добавления описаний новых объектов в уже существующие модели и обеспечение взаимодействия этих объектов.

4. Разработаны эффективные методы представления, хранения, внедрения в проектную базу данных и управления разнородными данными, статическими ресурсами и активных компонентами проблемно-ориентированных САПР.

5. Выработаны требования и апробированы инструментальные средства проектирования и разработки активных компонент функционально-геометрических моделей.

6. На основе предложенной архитектуры реализована САПР bCAD и, на ее базе, функционально-геометрические модели для ряда прикладных областей.

Благодарности автор выражает признательность всем людям, которые способствовали диссертационной работе, а особенно:

Балаганскому Игорю Андреевичу за многолетнее научное руководство и методическую помощь при формировании печатного варианта работы.

Сотрудникам ЗАО «ПроПро Группа» за совместную работу над программной реализацией системы bCAD.

Заключение

1. Хокс Б. Автоматизированное проектирование и производство М.: Мир, 1991.

2. Барнард Ф., Береза Ю., Суханова А. «С позиции Dassault», CAD/CAM/CAE Observer, Рига, изд. CAD/CAM Media publishing, №4, 2005, с. 10-16.

3. Lygin R. Traditional and innovative approaches in Open CASCADE Technology and Salome CAD/CAE platforms, Сборник докладов на международной конференции isiCAD-2004, Новосибирск, июнь 2004, с. 255-259.

4. Kevin Standiford, Descriptive Geometry: An Integrated Approach Using AutoCAD. Autodesk 2003.

5. MacAuley C. Programming AutoCAD in ARX. Autodesk. 2000.

6. Полищук H. AutoCAD 2004. Разработка приложений и адаптация. БХВ-Петербург, 2004 г.

7. Corney J. 3D modeling with ACIS kernel. Wiley, 1997

8. Randy Shih, Jack Zecher, Parametric Modeling With Mechanical Desktop 5, Schroff Development Corp, 2001.

9. Мюррей Д., SolidWorks. M. Изд-во «Лори», 2003

10. Parasolid open XT file format. Unigraphics corp. 2005.

11. Spens M. Automating SolidWorks using macros. Schroff Development Corporation, 2004.

12. Титов С. ArchiCAD 9. Справочник с примерами. М. Изд. «КУДИЦ-Образ», 2005

13. Dewhart S. С++ Gotchas. Avoiding Common Problems in Coding and Design. Addison-Wesley 2005.

14. ЛафореР. Объектно-ориентированное программирование в С++, изд. «Питер», 2003.

15. Box D., Sells С. Essential .NET. Volume 1. The Common Language Runtime. Microsoft .NET Development Series, 2002.

16. Гувер M., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства. М.: Мир, 1987.

17. PilcherD. Smooth parametric surfaces, CAGD, 1974.

18. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высшая школа, 1986.

19. Braid I., From geometric to product modeling. PROLAMAT, 1985.

20. Роджерс. Алгоритмические основы машинной графики. М.: Мир. 1989.

21. Джонс Дж. К. Методы проектирования. М.: Мир, 1986.

22. Стоян Ю.Т. Размещение геометрических объектов. Киев.: "Наукова думка", 1975.

23. Malukh V.N., Nickitin A.G. Modern Architecture of light-weight CAD. Сборник докладов на международной конференции Graphicon -2005, Новосибирск, июнь 2005, с. 111-113.

24. Атре Ш. Структурный подход к организации баз данных. М.: Финансы и статистика, 1983.

25. Райан Д. Инженерная графика и САПР. М., Мир, 1989.

26. Жермен-Лакур П., Жорж П.Л., Пистр Ф., Безье П. Математика и САПР. М.: Мир, 1988 том 2.

27. Костелью П. Математика и САПР. М.: Мир, 1988, том 2.

28. Lorentz, G. G. Bernstein Polynomials. Toronto: University of Toronto Press, 1986 (2nd edition).

29. G. Farin, Curves and Surfaces for Computer-Aided Geometric Design, Academic Press, 1997.

30. Renner G., A method of shape description for mechanical engineering practice, Comput. in Ind., Vol. 3. 1982, pp 137-142.

31. Martti Mantyla. An introduction to solid modeling. Helinski Univ. of Technology, Published by Computer Science Press, Inc., 1987.

32. Fowler В., Bartels R. Constraint based curve manipulation, IEEE Computer Graphics and Applications, vol 13, No. 5, 1993, pp 43-49.

33. Piegl L., On the use of of infinite control points in CAGD, Сотр. Aid. Geom. Des. vol. 4, 1987, pp 155-156.

34. Mortenson M.E., Geometric modeling, New York, John Willey, 1985.

35. Piegl L., Tiller W. The NURBS book. 2nd Edition. Springer. 1997.

36. Foley, vanDam, Feiner, Hughes, Computer Graphics: Principles and practice, Addison Wesley, 1990.

37. Forrest A.R. Shape classification of the non-rational twisted cubic curve in terms of Bezier polygons. CAD Group document No 52, Cambrifge Univ., UK, 1970.

38. Beach R.C. An introduction to the curves and Surfaces of Computer Aided Design. New York, Van Nostrand Reinhold, 1991.

39. Coons S.A. Surface patches and B-splines curves. CAGD, 1974.

40. Akima H., A new method of interpolation and smooth curve fitting based on local procedures, Jour. ACM, vol 17, pp 589-602, 1970.

41. Choi B.K. Sweep surfaces modeling via coordinate transformations and blending. CAD, vol. 22, No.2, pp 60-88, 1992.

42. Guggenheimer H. Computing frames along a trajectory, Сотр. Aid. Geom. Des., Vol. 6, 1989, pp 77-88.

43. Dodgson N. Advanced Graphics Study Guide. Interactive course. University of Cambridge, 2000.

44. Chung W.L. A new method of view synthesis for solid modeling, CAD, 1984.

45. Micaleff J. Encapsulation, Reusability and Extensibility in Object-Oriented Programming Languages. Journal of Object-Oriented Programming vol.1 1988 pp 25-27.

46. Knuth D. The Art of Computer programming, vol. 1-3, Addison-Wesley, 1981.

47. Malukh V.N., Nickitin A.G. Modern Architecture of light-weight CAD. Сборник докладов на международной конференции Graphicon-2005, Новосибирск, июнь 2005, с. 111-113.

48. Skarra A., Zdonik S., The Management of Changing Types in an Object-Oriented Database. SIGPLAN Notices vol. 21. 1986.

49. Vlissides J., Linton M., Applied Object-Oriented design to structured Graphics, Proceedings of USENIX С++ Conference, Berkley CA, 1988. pp 93-94.

50. МалюхВ.Н. Разработка специализированных приложений в САПР bCAD. «Автоматизация проектирования», М., изд. РАН, № 2, 2000 с. 1518.

51. Malukh V.N. Intelligent capabilities for small CAD systems: problems and perspectives. Сборник докладов на международной конференции isiCAD-2004, Новосибирск, июнь 2004, с. 311-312.

52. Standard ASME Y.14.41-2003 Digital product definition data practices. American Society of Mechanical Engineers, 2003.

53. ГОСТ 2.001-93, Единая система конструкторской документации. Общие положения. 1995.

54. Preis S., Prospects of LGS: Application and Development. Сборник докладов на международной конференции isiCAD-2004, Новосибирск, июнь 2004, с. 301-309.

55. Бахтин И.Н., Малюх В.Н., Архитектура интерфейса прикладного программирования в САПР bCAD. "САПР и Графика" М. Изд-во Компьютер Пресс, №3, 2000, с 20-26.

56. E.Yares, Cracked foundation: how hidden flaws undermine the acceptance of advanced software technology, isiCAD-2004, Novosibirsk

57. Керниган Б., Пайк P., Практика программирования. М., Изд. Вильяме, 2004.

58. Schwan К., Matthews J., Graphical Views of Parallel Programs. Software Engineering notes, vol. 11(3). July 1986.

59. Mayers S. Effective С++: 55 Specific Ways to Improve Your Programs and Designs. Addison-Wesley, 2005.

60. Booch G. Object-Oriented Analysis and Design. Addison-Wesley, 1994.

61. Оценка производительности рабочих станций. CAD/CAM/CAE Observer №2, 2002 с 63-65.