автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Расширение возможностей трехмерного моделирования машиностроительных деталей за счет использования алгоритмов идентификации геометрических элементов

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и актуальные проблемы.

1.1. Методы представления геометрической информации в САПР.

1.1.1. Функциональное представление.

1.1.1.1. Определение представления.

1.1.1.2. Система понятий.

1.1.1.3. Вычислимость характеристик объектов и типы отношений между объектами.

1.1.1.4. Методы визуализации.

1.1.1.5. Ограниченность области применения модели.

1.1.2. Граничное представление.

1.1.2.1. Определение представления.

1.1.2.2. Система понятий.

1.1.2.3. Вычислимость характеристик объектов и типы отношений между объектами.

1.1.2.4. Методы визуализации.

Усиление конкуренции в производстве как тенденция современного рынка заставляют производителей искать пути уменьшения сроков разработки новых изделий при сохранении требований к уровню качества изделий. Из наиболее очевидных решений этой задачи можно назвать следующие:

• оптимизация параметров изделия;

• унификация решений, обеспечивающая их повторное использование;

• автоматизация расчетных задач;

• поддержка комплексных изделий;

• адаптация производства к модифицированным изделиям;

• интеграция всех задач производства в единую среду разработки.

Потребность предприятий в таких решениях заставляет разработчиков САПР, ориентированной на задачи машиностроения, искать методологии, чьи качественные оценки (быстрота, прогнозируемость, гибкость, интегрируемость) наиболее близки к определениям современного производства.

При существенном росте предложения в области программного обеспечения САПР, в основном для персональных компьютеров, все разработчики связаны общностью предлагаемых средств:

• Двусторонняя направленность разработки модели: о от чертежа к 3D модели; о от 30 модели к оформлению инженерно конструкторской документации;

В последнее время наблюдается смещение акцентов к ЗВ проектированию как основы во всем цикле получения изделия.

• Декомпозиция модели на детали и сборки. Поддержка работы со сборками предполагает достаточно большой набор сервисов: о Редактирование в контексте сборки; о Прямая и обратная ассоциативность между деталями и сборками; о Различные способы привязки деталей в сборке; о Обеспечение многоуровневых иерархических сборок; о Средства поддержки целостности модели (в частности, поддержка ассоциативности модели).

• Определение формообразующих параметров модели (параметризация);

• Интеграция с расчетными модулями. Это позволяет уменьщить стоимость работ за счет отказа от изготовления "натурального макета".

• Интеграция с , системами ведения проектов и технического документооборота. Ведение единого архива всех документов предприятия, средства поиска документов, средства планирования и контроля выполнения, обеспечивают эффективное управление как отдельными проектами так и всем предприятием.

• Интеграция с системами технологического проектирования;

• Разработка библиотек стандартных элементов;

• Интеграция с системами автоматизации производства;

• Открытость системы. Предоставление системой сервисов позволяет сторонним разработчикам предлагать решения в узких областях, при этом обеспечивая интегрируемость с базовой средой разработки и ортогональную наращиваемость возможностей системы. Примерами задать являются: о Расчетные модули (например, задача оптимизации модели по набору целевых функций и т.д.); о Генераторы чертежей и моделей по заданным параметрам для определенных областей производства (проектирование трубопроводов, пружин и т.д.);

Ниже рассматриваются задачи, напрямую связанные с темой диссертации:

• Реализация параметризации;

• Реализация ЗВ-моделирования.

Сегодня на рынке программ САПР практически нет систем, которые не обладали бы параметрическими возможностями. Если рассматривать модель как решение системы, в общем случае, нелинейных уравнений, то возможность изменения формы и состава этих уравнений в описании модели можно рассматривать как определение параметризации. В современных САПР пользователю предлагается абстракция более высокого уровня модельные операции (функции), принимающие входные параметры и продуцирующие на выходе изделие новой формы. Такой уровень абстракции ограничивает знания разработчика семантикой операции (например, произвольное описание множества генерируемых объектов) и ее входных данных.

Параметрическая САПР позволяет создавать обобщенные параметрические проекты, с помощью которых можно автоматически получать серию возможных вариантов решений, варьируя форму входных параметров. При этом существенно уменьшается количество проектировщиков и обеспечивается высокое качество результата.

Многие чертежные САПР, предлагаемые сегодня, появились задолго до развития параметрической технологии, в их основу заложена методология электронного кульмана. Первым шагом на пути к параметризации явились встроенные в среду языки программирования, с помощью которых можно было описывать и решать функциональные зависимости между элементами чертежа.

Сложность и трудоемкость описания геометрической проблемы в символьной форме поставило вопрос о непосредственной параметризации чертежей.

Параметрические возможности в плане внутренней организации САПР являются весьма сложной технологией, и разработчики "старых" САПР столкнулись с многочисленными проблемами. Им пришлось обеспечивать параметрические функции на изначально не предназначавшихся для этого непараметрических ядрах своих систем. В итоге решения оказались неоптимальными и имели множество ограничений. Кроме того, сама по себе реализация алгоритмов параметризации и с математической, и с логической точки зрения является весьма непростой задачей.

В начале 90-х годов к этим проблемам добавилась другая - пользователи в США (а именно там производятся практически все основные САПР) стали ориентироваться на трехмерные системы. Появился ряд новых систем, ориентированных на персональные компьютеры и предназначенных для параметрического ЗВ-моделирования - SolidWorks, SolidEdge, Design Wave и ряд других. Все они оказались на удивление похожими друг на друга. Хотя, если присмотреться к ним поближе, то ничего удивительного в этом нет. Ключевыми компонентами этих систем являются трехмерное ядро, параметрическое ядро и пользовательский интерфейс. Кроме пользовательского интерфейса, который часто "заимствовался" друг у друга, своего у этих систем ничего нет. В качестве геометрического ядра, как правило, используется Parasolid или ACIS. При относительном разнообразии геометрических ядер все системы используют один и тот же параметризатор английской фирмы D-CUBED. Тот же самый параметризатор используется и во многих других системах, включая AutoDesk Mechanical Desktop, Unigraphics, CATIA, I-DEAS и т.д. Параметризатор D-CUBED включает в себя три компонента:

• Скетчер, предназначенный для построения параметрического профиля, на основе которого будет создана ЗО-операция;

• Математическая библиотека, позволяющая связывать отдельные детали в сборочные конструкции;

• Средства работы со сборками (типы сопряжений, анимация, проверка сборок).

Поскольку параметризатор является ключевым элементом параметрической САПР, использование одного и того же параметрического ядра приводит к тому, что возможности практически всех систем находятся в зависимости от функциональности и идеологии D-CUBED. Его ограничения становятся ограничениями всех систем, на нем базирующихся. Однако достаточно больщая сложность разработки своего параметризатора плюс жесткая конкуренция, накладывающая временные ограничения, вынуждает производителей САПР отказываться от планов собственных разработок в этой области. Исключением является лишь параметризатор Pro Engineer, который, впрочем, очень похож на D C M 2D.

После появления идеологии D-CUBED, которая мало ориентирована на использование в чертежах, никто фактически не предложил ничего нового в области параметризации. Среди наиболее удачных разработок в этой области - система Genius, являющаяся приложением к AutoCAD, которую как правило используют при создании библиотек несложных параметрических чертежей. Сейчас Genius куплен и встроен в AutoDesk.

Примером принципиально иного подхода к параметризации является САПР T-FLEX CAD. Выделение подмножества «линейных» или «квазилинейных» отношений в геометрической модели как способа задания связей между элементами модели приводит систему уравнений, описывающих модель, к готовому решению. Следовательно, происходит качественный прорыв в повышении скорости работы системы, надежности и «предсказуемости» получаемых решений, что в свою очередь ведет к уменьшению сроков проектирования, уменьшению временных и финансовых затрат на внедрение и сопровождение САПР.

Еще одной тенденцией развития современного рынка САПР является движение в сторону 3D моделирования на ПК. Отличительные особенности такого подхода это:

• Эффективность проектирования. 31) технология считается более наглядным и интуитивным методом для создания современных все более сложных объектов.

• Качество проектирования. Более естественный способ визуализации проектируемого объекта позволяет снизить вероятность ошибок, особенно в случае сложных сборок. Проектировщик может исследовать внутреннюю структуру сборки, проверить детали на пересекаемость. В случае движущихся механизмов можно с помощью анимации провести кинематические исследования.

• Снижение общего времени проектирования. Большинство прикладных программ САПР, таких как: подготовка программ для станков с ЧПУ, прочностные расчеты, технологическое проектирование, требуют трехмерной информации о проектируемом объекте. Поэтому использование ЗВ моделирования позволяет непосредственно интегрироваться со многими приложениями, сокращая лишние операции по подготовке данных.

• Повышение конкурентоспособности. ЗВ моделирование предлагает тем проектировщикам, которые его используют, очевидные конкурентные преимущества над пользователями "чистого" 2В черчения. Большая скорость и качество позволяют существенно быстрее доводить продукт до рынка, производить изменения под влиянием меняющихся рыночных запросов.

Фундаментальный компонент в архитектуре системы трехмерного моделирования - геометрическое ядро. Оформление математических пакетов в самостоятельный коммерческий продукт позволяет разработчикам САПР:

• организовывать многоуровневую архитектуру системы (например: расширение геометрических абстракций; макросы для моделирования твердых тел; параметризация);

• поддерживать несколько ядер, что обеспечивает масштабируемость вычислительных возможностей системы;

• обеспечивать единую среду обмена информацией в рамках комплексного решения подготовки производства.

Как на уровне разработки ядра, так и при его выборе для использования в конечных продуктах (САО/САМ/САЕ) решается задача выбора представления геометрической информации. Функциональное представление (F-rep) и Граничное представление(В-гер) два основных метода описания геометрических тел. С каждым из представлений связан свой набор доступных объектов, операций и отношений. Операции и отношения являются основой для построения вычислительного ядра.

В некоторых системах используются оба представления. Это связано, в первую очередь, с возможностью использования преимуществ каждой модели. В тоже время поддержка работы с двумя ядрами сопряжена с рядом проблем:

• Удвоение накладных расходов на хранение в памяти вычислительных ядер;

• Удвоение накладных расходов на хранение моделей;

• Двунаправленное конвертирование представлений. Первые результаты исследований конвертирования из F-rep в В-гер были опубликованы в 1985 году. На сегодняшний день проблема достаточно хорошо изучена. Основная сложность в обеспечении эффективности алгоритмов и точности представления. Это связано, в первую очередь с особенностями организации вычислений в F-rep моделях.;

• Установление эквивалентности между множествами операций двух представлений относительно генерируемых объектов.

Большинство разработчиков геометрических ядер (такие как Parasolid от UGS, ACIS от Spatial Technology, Granite от РТС), на которых построено основное количество CAD - систем (SolidWorks от Dassault Systemes, Solid Edge от UGS, MicroStation Modeler от Bentley Systems, AutoCad от Autodesk, MicroCADAM от Helix, PT/Modeler от PTC, Artisan Series от SDRC), используют технологию граничного представления твердотельного объекта (В-гер), объединяя понятия проволочных моделей, поверхностей и твердых тел. Представление определяет изделие как иерархическую декомпозицию объектов (грани, ребра, вершины). Базовая операция для хранения, моделирования и анализа изделий - организация доступа к топологическим элементам модели.

Особенности использования такого рода сущностей в граничном представлении обуславливают определенный набор задач, не нашедший до настоящего времени полного решения. К ним относятся:

• Определение инвариантов на топологии относительно множества допустимых значений входных параметров изделия;

• Разметка гетерогенного графа представления изделий атрибутами, отражающими семантику вершин;

• Определение алгоритмов идентификации;

• Построение отображения атрибутов на элементах'топологии при изменении формы изделия.

Таким образом, проведение исследовании по всем перечисленным и тесно связанным с ними направлениям представляет собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую большое практическое значение.

Предметом исследования диссертации являются

• исследование методов описания топологии модели

• представление информации о модификации топологии в операциях

• определение структуры атрибутов на элементах топологии

• определение алгоритмов идентификации для основных типов операций и выявление общей методологии построения атрибутов

• поиск отображения атрибутов в параметрических моделях с изменяющейся топологией.

Целью диссертационной работы является разработка для машиностроительного САПР механизма доступа к топологии модели. Структурно данный механизм реализует блок генерации атрибутов, блок протоколирования генезиса элементов модели, блок поиска элементов в модели. Последняя задача реализована как действующий прототип статической экспертной системы, интегрированной с трехмерным геометрическим процессором и блоком параметризации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• на основе анализа методов представления геометрической информации в системах автоматизированного проектирования и производства, определены инварианты описания модели относительно множества допустимых значений входных параметров изделия. Отличительная особенность данных инвариантов -возможность использования в операциях локальной модификации модели в системах, допускающих параметризацию формы изделия.

• на основе анализа принципов построения и функционирования геометрического ядра выявлены базовые типы модификации модели. На основе этой информации определена структура атрибутов, назначаемых на инварианты топологии;

• на основе анализа операторов формообразования и методов уведомления о промежуточных шагах построения модели на топологическом уровне определены функции синтеза атрибутов для каждого из операторов;

• изменение входных формообразуюш,их параметров или способов задания модели, в некоторых случаях приводит к модификации топологии. Разрабртана встроенная экспертная система, устанавливающая отображение старых атрибутов в новые на основе сравнения истории создания и модификации топологии модели с новыми и старыми входными параметрами.

Разработана полнофункциональная, расширяемая и модифицируемая модель доступа к элементам модели изделия машиностроительного САПР с элементами параметризации.

Программная реализация полученных в работе результатов осуществлялась последовательно для геометрических ядер ACIS фирмы STI и Parasolid фирмы UGS на базе ОС Windows 95 и Windows NT на языке программирования C+-I-. Для промышленной реализации был выбран компилятор Visual С++ v. 6.0. На этом ядре построена система трехмерного моделирования и черчения T-Flex CAD версий 6.x и 7.x фирмы Топ Системы. В составе этой системы блок идентификации на протяжении последних лет успешно эксплуатируется на многих предприятиях России и друг стран, в учебных заведениях и проектных организациях. Применение принципов кооперативного проектирования позволяет наращивать функциональность блока параллельно с расширением геометрического ядра и приобретением знаний о новых типах модификации модели в процессе промышленной эксплуатации.

1. PARAMETR1. AND FEATURE-BASED CAD/CAM, Concepts, Techniques, and Applications, Jam! J. Shah, Martti Mantyla, A Wiley-Interscience Publication, JOHN WILEY & SONS, INC., 1995;

2. Curves and Surfaces for Computer Aided Geometric Design, Gerald Farin, Computer Science and Scientific Computing, ACADEMIC PRESS, INC., 1988;

3. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве, А.Фокс, М. Пратг, М, "Мир", 1982;

4. Сплайны в инженерной геометрии, Ю.С. Завьялов, В.А. Леус, В.А. Скороспелов, Москва, Машиностроение, 1985;

5. Computer Graphics. Principles and Practice, Second Edition, James D. Foley, Andries van Dam, Steven K. Feiner, John F. Hughes, The Systems Programming Series, ADDI SON-WESLEY PUBLISHING COMPANY, 1990;

6. Наглядная геометрия и топология. Математические образы в реальном мире, А.Т. Фоменко, Издательство Московского университета, 1998;

7. Математические основы машинной графики, Д.Роджерс, Дж. Адаме, М, "Мир", 2001;

8. INTERNATIONAL STANDARD. ISO 10303-42. Industrial automation systems and Integration Product data representation and exchenge. Part 42: Integrated generic resources: Geometric and topological representation, 1994;

9. INTERNATIONAL STANDARD. ISO 10303-203. Industrial automation systems and integration Product data representation and exchenge. Part 203: Application protocol: Configuration controlled design, 1994;

10. Оъектно ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, Гради Буч, Второе издание, BINOM PUBLISHERS, 1998;

11. Разработка САПР, И.П. Норенков, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994;

12. Фундаментальные основы дискретной математики, В.А. Горбатов, Наука, Физматлит;

13. Искусство программирования, в трех томах, Дональд Э.Кнут, Третье издание, ADDISON-WESLEY, 2000;

14. Статические и динамические экспертные системы, Э.В. Попов, И.Б. Фоминых, Е.Б. Кисель, М.Д. Шапот, М, "Финансы и статистика", 1996;

15. Computer Aided Geometric Design, Elsevier Science B. V.;

16. Современная геометрия. Методы и приложения, Б.А. Дубровин, СП. Новиков, А.Т. Фоменко, М, Эдиториал УРСС, 2001;

17. Иванов Вас. Петр., Батраков Анат. Сем., Полищук Г. М. "Трёхмерная компьютерная графика.", М., 1995;

18. Елшин Ю.М. "Создание графической и текстовой документации в диалоге с ЭВМ.", М., 198819. "Автоматизация обработки сложной графической информации.", Горький ГГУ, 1988

19. Кузнецова О. И. "Алгоритмическое и программное обеспечение компьютерной графики.", М., 1994

20. Плоткин Е. Е. "Вопросы создания интегрированных сред компьютерной графики САПР и АСПИ.", Н. Новгород, 1994

21. Анмерал "Интерактивная трёхмерная машинная графика", М., 1992

22. Котов Ю. В. "Геометрическое конструирование и машинная графика.", М., 1987

23. Лагерь А. И. "Машинная графика.", Красноярск, 1988

24. Мамонтов В. "Машинная геометрия и графика.", М., 1988

25. Бородавкин В. А., Львов А. А., Самсонова Э. И. "Машинная графика. Компьютерная графика.", Тула, 1989

26. Андрейченко Ю. Я. "Машинная графика. Основы Авт. Проектирования.", Тула, 1989

27. Федоренков А. М. "Машинная графика.", 198729. "Формирование графических документов с помощью ЭВМ", Казань, 1985

28. Ваг8ку "Машинная графика и геометрическое моделирование"

29. Принс М. "Машинная графика и автоматизация проектирования.", М., 1975

30. Ньюмен У., Спрулл Р. "Основы интерактивной машинной графики.", М., Мир, 1976

31. Фукс В. И. "Технические и программные средства машинной графики.", М., Мир, 1985

32. Роджерс Д. "Алгоритмические основы машинной графики", М., Мир, 1989

33. Фокс А., ПраттМ. "Вычислительная геометрия", М., Мир, 1982

34. Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики, 1988

35. Роджерс Д. Адаме Дж. "Математические основы машинной графики" / Пер. с англ., М., Машиностроение, 1980

36. Михайленко, В. А. Анпилогова, Л. А. Кириевский и др. Под ред. В. Е. Михайленко, А. А. Лященко "Справочник по машинной графике в проектировании" Киев: Буд1вельник, 1984

37. Зозулевич Д. М. "Машинная графика в автоматизации проектирования.", М., Машиностроение, 1976

38. Котов И. И., Полозов В. С, Широкова Л. В. "Алгоритмы машинной графики", М., Машиностроение, 1977

39. Гилой В. "Интерактивная машинная графика", М., Мир, 1981

40. Уокер Б. С, Гурд Дж. Р., Доник Е. А. "Интерактивная машинная графика", М., 198043. "Машинная графика в системах, автоматизированного проектирования.", Киев, 1982

41. Рагозина "Машинная графика в САПР.", АН БССР, Минск, 1982 за 1980-1981 гг.

42. Рагозина "Машинная графика в САПР.", АН БССР, Минск, 1984 за 1981-1983 гг.

43. Андриес ван Дам "Программное обеспечение машинной графики" // В мире науки №11 стр. 60-73

44. Толкачёв Ал. Арт. "Машинная графика в автоматизированном технологическом проектировании.", Минск, 1980

45. Гардан И., ЛюкаМ. "Машинная графика и автоматизация конструирования." М., Мир, 1987

46. ГОСТ 23501.0-79 "Системы автоматизированного проектирования. Основные положения." В/у. 01.01.78

47. Д.Кнут "Искусство программирования" в 7-х томах, т.З "Сортировка и поиск", М. Мир

48. А.Г.Кушниренко, Г.В.Лебедев "Программирование для математиков", М."Наука", 1988,стр. 235-249

49. Д.Жук "CAD/CAE/CAM системы высокого уровня для машиностроения". Информационные технологии, №0,1996 г., стр.22-26

50. Д.Жук, "Современные системы автоматизации проектирования", Компьютерра №27(154), стр. 10-12

51. Е.Мурованная, Г.Ершов, А.Мишин, "PRO/ENGINEER черты лидера", Компьютерра №27(154), стр. 13-17

52. В.Климов, В.Клишин, "Система проектирования фирмы Computervision", Компьютерра №27(154), стр. 18-22

53. М.Савченко, "CATIA система проектирования и изготовления", Компьютерра №28(155), стр. 15-20

54. Н.Максимов, "Программное обеспечение Autodesk", Компьютерра №28(155), стр.21 -24

55. Catmull Е. Computer Display of Curved Sixrfacess, Proc. IEEE Conf. On Computer Graphics, Pattern Recognition and Data Structure, May 1975; Tutorial and Selected Reading in Interactive Computer Graphics, H. Freeman (ed.), IEEE, 1980

56. Foley, van Dam, Feiner, Hughes "Computer Graphics", Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 199063