автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Система автоматизированной разработки чертежей металлорежущих инструментов с использованием методов параметрического трехмерного моделирования

На правах рукописи

005011066

ШМУЛЕНКОВА ЕЛЕНА ЕВГЕНЬЕВНА

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ ЧЕРТЕЖЕЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

- 1 НДР 2072

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск 2012

005011066

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Притыкин Федор Николаевич

доктор технических наук, профессор Браилов Иван Григорьевич

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Ревякина Ольга Владимировна

ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится 16 марта 2012 г. в 1400 ч. на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, тел., факс: (3812) 65-03-23, е-таіі: Arkhipenko_m@sibadi.org

Автореферат разослан 10 февраля 2012 г.

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03 кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное развитие информационных технологий и систем автоматизированного проектирования непрерывно способствуют повышению уровня автоматизации проектирования металлорежущего инструмента. Процедура разработки чертежей металлорежущих инструментов с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР) становится нормой для большинства предприятий и конструкторских бюро в современном мире.

В последние годы интенсивно развиваются системы автоматизированного проектирования с возможностями трехмерного параметрического твердотельного (ЗЦ) моделирования и параметрического черчения. Тем не менее, автоматизация проектирования чертежей все же остается неполной. На выполнение конструкторской документации по некоторым оценкам приходится до тридцати процентов неавтоматизированных работ. Так, например, при разработке чертежей металлорежущего инструмента, созданных на основе параметрического ЗБ и 2Б моделирования, при изменении численных значений каких-либо переменных указанных моделей, может произойти наложение фрагментов изображений чертежа друг на друга или их выход за пределы заданной области. При этом чертеж редактируется вручную.

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки модулей системы САПР металлорежущих инструментов, включающей параметрическое ЗБ и Ю моделирование и осуществляющей анализ и корректировку положений фрагментов изображений на чертеже.

Цель диссертационной работы заключается в разработке модулей автоматизированного анализа и корректировки положения фрагментов изображений при создании чертежей металлорежущих инструментов на основе параметрического трехмерного и двумерного моделирования.

Объектом исследования является процесс автоматизированной разработки чертежей металлорежущих инструментов с использованием параметрических 30 и Ю прототипов.

Предметом исследования является модель автоматизированного анализа и корректировки положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрического 30 и 20 моделирования, а также определение путей эффективного использования указанной модели при проектировании.

Задачи исследования.

- построить и апробировать математическую модель автоматизированного анализ взаимного положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрических 30 и 20 прототипов;

- разработать математическую модель автоматизированной компоновки и

корректировки положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента; •

- определить зависимости параметров выносных и размерных линий сече-" ний, ориентация которых зависит от значений переменных 30 модели металлорежущего инструмента;

- установить функциональную зависимость эффективности использования модулей анализа и корректировки положения фрагментов изображений на чертеже от их внутренних параметров;

- разработать и реализовать модули управления движением совокупностей геометрических объектов чертежей, для автоматизированного проектирования металлорежущего инструмента, на основе использования параметрического 30 моделирования.

Методы исследования. В работе использованы методы аналитической и вычислительной геометрии, методы компьютерной графики, методы теории алгоритмизации, теории графов и методы управления движением совокупностей геометрических объектов, связанных со звеньями механизмов.

Научная новизна работы.

- предложена структурная модель процесса создания параметрических трехмерных и двумерных прототипов, используемых при разработке чертежей металлорежущих инструментов;

- разработана математическая модель реализации процесса автоматизированного анализа взаимного положения фрагментов изображений применительно к чертежам металлорежущего инструмента, полученных с использованием параметрического трехмерного моделирования;

- разработана математическая модель процесса корректировки положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрических трехмерных и двумерных прототипов;

- предложена структурная схема и алгоритм взаимодействия основных процедур системы автоматизированного проектирования металлорежущего инструмента с использованием модулей трехмерного параметрического моделирования (30), а также анализа и корректировки положения фрагментов изображений чертежей.

Практическая значимость выполненного исследования заключается в создании модулей автоматизированной системы проектирования металлорежущего инструмента, позволяющих:

- выполнять автоматизированный анализ взаимного положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрического трехмерного и двумерного моделирования;

- осуществлять автоматизированную корректировку положения фрагментов изображений;

- создавать параметрические трехмерные и двумерные прототипы, используемые при разработке графических баз данных металлорежущего инструмента.

Разработанные модули получили подтверждение в виде свидетельства о регистрации программ для ЭВМ (№ 17512) и могут быть включены в базу данных существующих систем автоматизированного проектирования металлорежущего инструмента.

Результаты исследований, выносимые на защиту:

- структурная модель процесса создания параметрических трехмерных и двумерных прототипов чертежей металлорежущего инструмента;

- математическая модель, позволяющая осуществлять реализацию процесса автоматизированного анализа взаимного положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента;

- математическая модель процесса автоматизированной корректировки положения фрагментов изображений, полученных на основе параметрических 30 и 20 прототипов чертежей металлорежущего инструмента;

- результаты исследований критериев, влияющих на эффективность использования разработанных модулей анализа и корректировки положения фрагментов изображений в зависимости от их внутренних параметров.

Апробация и публикации. Основные результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях: на Всероссийской научнотехнической конференции «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность» (Омск, 2008); на научно-технической конференции СибАДИ (Омск, 2009); на III Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и технический дизайн в профессиональном образовании и промышленности» (Новосибирск, 2011); на VII международной научно-практической конференции, «Новейшие достижения европейской науки» (София, 2011).

Результаты работы отражены в 13 публикациях, из которых 3 в изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК. Разработанные алгоритмы зарегистрированы в отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Внедрение результатов работы. Разработанные модули автоматизированной системы, предназначенные для анализа и корректировки положения фрагментов изображений, внедрены на моторостроительном объединении им. П.И. Баранова при проектировании металлорежущих инструментов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы, который включает 134 источника, и трех приложений. Она содержит 141 страницу машинописного текста, 57 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенного исследования, изложены цели и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость работы. Приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проводится анализ вопросов, связанных с разработкой и использованием систем автоматизации при проектировании металлорежущего инструмента. Проводится обзор отечественных и зарубежных систем автоматизированного проектирования, применяемых для разработки графических баз данных на основе ЗБ моделей.

Обоснована необходимость разработки новых автоматизированных методов компоновки фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, созданных на основе параметрических 30 моделей. Исследуются способы аналитического задания фрагментов изображений (ФИ) на чертеже с целью проведения автоматизированной оценки и анализа их взаимного располо-

жения. Рассмотрены способы, корректировки положения ФИ и алгоритмы размещения их на чертеже. Обоснована взаимосвязь задач моделирования движения ФИ на чертеже металлорежущего инструмента (МИ) с методами определения взаимного положения ФИ, задающих звенья плоских открытых кинематических цепей. Определены дополнительные научные исследования необходимые для достижения поставленных целей, связанных с автоматизацией основных этапов проектирования металлорежущего инструмента.

Во второй главе решены вопросы, связанные с различными способами задания и определения взаимного положения ФИ на чертеже, полученных на основе ЗБ моделирования. Описан метод задания границ ФИ с использованием теории И-функций. Мет°Д позволяет выделять области видов, сечений и принадлежащие им размеры на чертеже и определять аналитически их взаимное положение.

С помощью Я-функций задаются уравнения границ составных областей ФИ по известным неравенствам, определяющим простые геометрические объекты. При задании областей ФИ металлорежущего инструмента различной формы с использованием алгебры множеств рассматриваются логические операции над множествами. При этом под множеством подразумевается множество координат опорных точек (МКОТ) принадлежащих определенной области ФИ. При этом основными используемыми операциями над множествами являются: пересечение, объединение и разность.

^ Функция, соответствующая пересечению Хх п Х2, называемая конъюнкцией определяется выражением:

, ■гг=х1лх1 = х1+х1-л1х?7х*, (1)

где X] и Х-2 — непрерывные переменные К-фупкции.

Объединению множеств X, и Х2 соответствует дизъюнкция, которая задается с помощью выражения:

Г^х^х2=х1+х2+л]х:+х22. ■ (2)

Использование функций конъюнкции и дизъюнкции позволяет задать уравнения областей и границ ФИ металлорежущего инструмента и определить их пересечение с соседними ФИ, принадлежащими определенной заданной области. На рисунке 1а представлен пример задания области прямоугольника, в котором размещается текст обозначений сечений или изображения видов. Граница области прямоугольника £21, которая представляет собой пересечение двух полос, определяется с использованием операции Л-конъюнкций (см. рис. 1а). При этом область (), есть вертикальная полоса, заданная неравенством

а ~(хо~ Ю ^ 0, а - горизонтальная полоса <х>г -» Ь1-(у0 - Гу )2 > 0.

Подставляя значения йциигв выражение (1) получим неравенство, задающее точки прямоугольной области О, которое выглядит следующим образом:

ц. +Ь2-(х0-11У-Ос -О2-{(а2~(х0-II)2)2 +ф2 -(у0-1'у)У >0.(3):

Рисунок 1 - Определение границы областей ФИ: а) область, задающая прямоугольник; б) пример ФИ вида слева резца; в) область, определяющая вид слева

Область 02 (см. рис. 1в) определяет ФИ вида слева чертежа резца отрезного (рис. 1 б). Прямоугольная область <33 задается с использованием неравенства (4):

ц -+аг +Ь1 ~(х0 -О2-СК ~02 ~(хо-О2)2 +(Ь2 ~(у0 -1‘уУУ >0, (4)

Область (24задается неравенством:

ео^Л1- (х0 -1'ХУ- (у0 - 1'уУ > 0. (5)

Следовательно, область ~ и & полученная на основе использования операции дизъюнкции (2) может быть задана неравенством:

ц ->(«2 +ь! -(Х0-1У -(Уо -о2-^2-к-О2)242-О0-/^)

+(Л2-(*„-О2-О0 -ф+Ка1 +Ь2-(х0-О2 -0„ -О2 - (6)

^-(х0-11уу+{ь>-(у0-1у}у +{^ -(х0 -О2 -{у0 -О2)2? >0.

Для вывода уравнения контура многоугольника, представленного на рисунке 26, состоящего из п отрезков используются следующие уравнения.

Уравнение, с помощью которого выделяется элемент замкнутого контура, имеет вид:

Ча{/М = 4/г+(Р"-<9 = 0. (7)

Для случая задания отрезка прямой Л,Д? значения параметра/ этого уравнения определяется по формуле:

А = (х0-х()(ум -у)-(уо-у$(хм-х,)> 0, (8)

где хь у, и х, ; /, У(-1 - координаты точек А, и Ан 1 соответственно; х0, Уо - координаты текущей точки (рис.2а). Значение параметра ср уравнения определяется выражением:

Рисунок 2 - Геометрические параметры ФИ: а) задание многоугольной области; б) пример ФИ

Согласно формулам (7) - (9) уравнение отрезка А:А2, соединяющего точки А, (х,, у/) и А 2 (х2, у г), представленные на рисунке 2а, может быть записано в виде:

где 1п = у1(х2-хУ +(у2-ух)2 - длина отрезка.

Уравнение замкнутого контура, состоящего из п отрезков, записывается в виде:

где п — количество отрезков; ГТ — произведение уравнений отрезков. Формула (11) определяется как произведение уравнений отрезков, которые являются сторонами многоугольника.

Аналогичным образом задаются аналитически другие виды ФИ металлорежущего инструмента, созданные на основе параметрической 3D модели. При этом координаты точек определяются на основе использования функций доступа к примитивам и их систематизации.

Для осуществления автоматизированной процедуры анализа положений ФИ по определенным критериям при проектировании чертежей МИ, созданных на основе параметрических 3D моделей, разработаны функции-подпрограммы на основе пакета САПР ACAD и алгоритмического языка программирования AutoLISP. Это позволило создать новую символическую формализованную запись описания процедур анализа взаимного положения ФИ на чертежах МИ. Моделирование процедуры анализа взаимного положения ФИ осуществляется с использованием графов, матриц

(Kw<.>*».y„w2)=

(10)

f = П q(x0,y0,X)i ,yu ,x2i,y2l) = 0,

(П)

инциденций и смежностей- Дпя осуществления автоматизированного анализа взаимного положения ФИ определяется взаимное положение точек замкнутых контуров объектов 0, £>6 И их положение по отношению к заданным областям (рис. 3).

В третьей главе представлена методика определения положения базовых точек вставки ассоциативных видов, параметрической 30 модели для заданного множества представителей металлорежущего инструмента, которая позволяет уменьшить вероятность возникновения ситуации наложений ФИ друг на друга. В случае возникновения ситуации пересечение ФИ на чертеже применяются алгоритмы перемещения ФИ на основе использования обобщенных координат. При этом осуществляется анализ компоновок положения ФИ, и определяется траектория их перемещения с помощью годографов функций плотного размещения. На рисунке 3 представлены различные варианты компоновок ФИ, которые могут использоваться при проектировании МИ одного кода.

Рисунок 3 - Варианты компоновок ФИ на чертеже: а) компоновка ФИ (2;, ..., (Л,, б) компоновка ФИ £9* Qз, 0,4 - О-ъ >0.6, в) компоновка ФИ (9/, <22, 2?, 64 , 65 > б6

Таким образом, осуществляется исследование возможной взаимосвязи между семью определенными множествами при анализе различных вариантов компоновок. Анализ различных вариантов компоновок выполнен с использованием графа (рис.4), отражающий взаимосвязь между множествами координат опорных точек (МКОТ), геометрический смысл которых представлен на рисунке 3.

Рисунок 4 - Граф, отражающий процесс компоновки ФИ на чертеже

На рисунке 4 приняты следующие обозначения: £>7, - МКОТ, опреде-

ляющих положение видов, сечений и технических требований; е,,..е72 - ребра графа, отражающие критерии взаимосвязи множеств £7:'.

На рисунке 5а представлены изображения ФИ резца. Задание положения локальных систем координат 0„х„уп , связанных с ФИ на неподвижной плоскости, осуществляется с использованием матричного произведения!

Мо,п = Мо,, X М0,2 х... х Мш X... X мп_1„, (12)

Миц - матрицы, определяющие переход от системы О, к системе О/./ при использовании преобразований координат, задающих соответственно вращательные и поступательные перемещения:

С08(хГ*н) С08(у;л,_,) 1 0 "1 0 0 ~

м,-,, = «*(у,уы) ум » ^м,,= 0 1 0 . м,_и = 0 1 сЧЗщ

0 0 1 0 0 1 _ 0 0 1

где х*хы - углы, образованные координатными осями О, и Ои; я у - координаты начала системы О/ в системе сЛл1^, — смещения вдоль со-

ответствующих осей системы (),_].

Рисунок 5 - Схема расположения ФИ а) геометрические параметры, задающие положение ФИ на чертеже; б) кинематическая схема, отражающая взаимное изменение положения ФИ

Процедура корректировки положения ФИ на чертеже в случае обнаружения их пересечений осуществляется с помощью реализации приращений обобщенных координат Аци Ад2, ... А^. Для обеспечения смещения видов и сечений при корректировки их положения с каждый ФИ неподвижно связывается со звеньями фиктивной плоской кинематической цепи (см. рис. 56). Расстояния между ФИ на рисунке 5а определяют параметры и <?4, а между ФИ и рамкой чертежа — параметры Я2 , Чог и Ят ■ В заданных пределах могут изменяться положения точек

02, 03 и Ос, определяющиеся обобщенными координатами Ц], д2, ... ц5.

Смещение точки Ов определяется вектором приращений ДЯоб:

АБов= Дхоб + Ауов. (14)

Зависимость компонентов Ахоб, Ауоб вектора АБоъ и вектора А# (Адг, Ад2, ... Ад}) определяется с использованием следующего выражения:

(15)

Для корректировки положения ФИ, связанных со звеньями плоского шестизвенного механизма представленного на рис.5б выражение (15) примет вид:

Ахоб~ ЖуауАд! +./14 ■агАц4 + J]S■asAqs,

Ауоб~ ^22 '02'Ад2+ J2з^a3■Aqi + ^4 а4 Ад4 + J2S■c^s■Aq5,

1 Л

АУо». У» Зп

0 . .. 0'

0 а2 . 0

0 0 • М>.

(16)

где Ju, ..., 125~ коэффициенты матрицы частных передаточных отношений;

«/> ■ «5-весовые коэффициенты приращений Ад,, Ад}.

Если при поиске точка 01 приближается к граничной прямой Ц (см. рис. 5а), в этом случае значение весового коэффициента вычисляется по формуле:

я1,

(17)

гДе <7^ — определяет удаление точки О, от граничной прямой I/, ^ — первоначально заданное значение удаления точки 01 от прямой

Уравнения (15) и (16) в пятимерном пространстве приращений Aqi определяют две гиперплоскости. Для вычисления приращений Аф удовлетворяющих условию:

(18)

необходимо к линейной системе (16) добавить три линейных уравнения (19) каждое из которых определяет гиперплоскость (р) перпендикулярную гиперплоскостям (16), проходящую через начала координат пространства приращений Уравнения данных гиперплоскостей имеют следующий вид:

^ГО] АЦ1 + .]з?а2 -&Ц2 + ••• + ^35' а5 А<?5 - О

- (19)

■ агАд/ + J52■a2■Aq2 + ••• + оз'Адз - О

Совместное решение уравнений (15) и (19) позволяет в многомерном пространстве приращений Ад, найти точку С, удовлетворяющую критерию (18) и заданную вектором ДМз. '

Вычисление различных значений векторов АЛ' и следовательно положений ФИ и систем О/, О2, ... 0( происходит до тех пор пока граничные многоугольники видов или сечений относительно друг друга и рамки чертежа будут располагаться на заданном минимальном расстоянии. При этом на каждом шаге вычисляются весовые коэффициенты по соотношениям (17).

—Г^тах

Максимальное допустимое значение модуля вектора До о6 определяется в следующей последовательности. С помощью решения линейной системы урав-—' нений (16) по значению Лзое находим значения Л?”3*, Л#™*51 и т.д. Модуль

вектора Л£06 определяется отрезком 060'6. О' = 1'5 гл /7, где прямая /, находится минимально заданным расстоянием с/т,„ до ФИ. Также определяются смещения <Л$02, <*4,... точек 02, 0[, О,, 06 в соответствии с Ад',""*, Ад”“, ... по отношению к соответственным прямым //, 12, 1з, и И и (см. рис. 5а).

Смещения вычисляются с помощью матричных произведений (12):

<н*01 =у;(до. = Л(АяГ), л5'т = имгмг),

^06 = /3(д?Г,д Ч™МГМГМГ) 1 }

Максимальные значения количества итераций при использовании вектора

—~гоах .

А5об вычисляются выражениями:

Г - ^ . „I _ Чоі . / . и _ <?OS ПП

02 ~ т* ’ 02 / ’ 03 J. / > 06 ,. ■ ^ '

diSm uisr.^ aism uisnf) . ,

Из полученных значений п01, , ... необходимо определить минимальное зна-

*T"omin

чение nfm. При этом минимально допустимое значение вектора Лооб с учетом погрешностей реализаций определяется соотношением:

AS07=^~ . (22)

• uo ^min

Блок-схема алгоритма смещения положения ФИ представлена на рисунке 6.

В блок-схеме приняты следующие обозначения: 1 - определение положения систем координат О,, 02, 06 (12); 2 - существует ли пересечение ФИ (3, 6,

~ Т'отах '

10); 3 — определение максимального значения вектора приращении ASog в соответствии с отрезком 0(0[ ;4 - вычисление матрицы частных передаточных отношений; 5 - вычисление значений весовых коэффициентов по соотношени-

ям (17); 6 - АЯт“ (16); 7 - (1ізог, «#лг'2... (20); 8 - пш" (21); 9 (22);

10 - вычисление вектора 11 - Л^ш = ц, +Ад„ вычисление Моя (12);

12 - определение принадлежности точек контуров видов и сечений запретным зонам; 13 - изменение значений

Если вышеописанные способы корректировки положения ФИ не приводят к положительному результату, то используется способов изменение положения размерных линий, принадлежащих ФИ.

В четвертой главе приведена методика определения численных значений переменных, характеризующих положение размеров сечений в зависимости от некоторых геометрических параметров параметрической ЗБ модели металлорежущего инструмента. На рисунке 7 а и б представлено изображение сечения, ориентация которого зависит от главного угла в плане (ф), а на рисунке 7в соответственно геометрические параметры, определяющие положения размеров на данном сечении.

Рисунок 7 - Положение ФИ сечений резца на станок, полученных на основе параметрической ЗБ модели: а) (р=6&\ б) (5=30°; в) параметры, определяющие длины выносных и размерных линий

На рисунке 7 отражены случаи, когда размеры сечения не пересекаются (рис. 7а) при ф=6СР и соответственно когда пересекаются (рис. 76) при <р=30 . В ходе графических построений были определены точки графиков ] =/; (<р) и

2 = /2 (<!>) для разных значений 12 и г/. Для расчета значений параметров ] и х в зависимости от значений ср и Ь2 использованы интерполяционные полиномы Лагранжа. Для интерполяции по п + 1 заданным точкам (д, ф'к) к = 0, 1, п, таким, что <р'0 <ф[ < использованы полиномы третьей степени с четырь-

мя коэффициентами, которые представляются в виде:

Р1(?/) = Е4(/)-Л. (23)

к=0

ГПР т (,л _ М-<р'Л<р'_ л

Задача интерполяции сводится к нахождению полиномов:

Р,_ (Ч>') = I ЬАФ'УЪ, К. (?') = Ь‘М!)-Х> • (24)

£=0 к-0

На основе экспериментальных данных, представленных на рисунке 8.а и 8.6, для длин Ь2=2.5, £2=4,12=6 получены следующие интерполяционные полиномы Лагранжа:

=2,5-^]{ф')=-\.2вЪхъ +0.113л:2 -36.667л+ 3357.625, ц =4-> у^'Ь-0-00007*3 + 0063*2 -19.048л:+ 1926.752, £а =6-»_/(<г»')=—О.ООСОЗл-3 + 0.0323л:2 -10.645л: + 1167.5.

12 = 2,5 -» х{ф') = -0.0002л:3 +0.189л:2 -61.383л:+ 6700.375, Ь2 = 4 -» х{р')=1 -229л:3 - 0.102х2 + 27.244л:- 2284.875, к = 6 -> ) = -0.00005л:3 + 0.061л2 - 22.192* + 2726.

(25а)

(256)

Рисунок 8 - Графики-функции:

С целью сокращения времени работы программы, осуществляющей корректировку положения ФИ на чертеже определен допустимый интервал изменения значений весовых коэффициентов а,. Для этого исследовано влияние значений весовых коэффициентов (а.) на параметры АйЬ,у, как по оси х, так и по оси у.

Приведена общая структура многоступенчатой модели автоматизированного проектирования чертежа МИ с использованием параметрических 30 и 20 прототипов, а также дополнительно разработанных модулей анализа и корректировки положения фрагментов изображений на чертеже (рис. 9).

Рисунок 9 - Блок-схема многоступенчатой модели автоматизированного проектирования чертежа МИ .

В блок-схеме приняты следующие обозначения: 1 — определение кода и основных параметров МИ; 2 - поиск МИ с определенными параметрами в БД;

3 - существует ли в БД МИ; 4 - выбор параметрической 30 модели МИ; 5 - создание чертежа на основе параметрической 30 модели; 6 - получение ФИ на основе параметрической 30 модели и получение текстов технических требований; 7 — анализ ФИ и определение их взаимного положения; 8 - происходит ли взаимное пересечение ФИ; 9 - корректировка положения ФИ; 10 - найдено ли положение ФИ; 11 — изменение формы, ограничивающих контуров сечений; 12 - положение ФИ найдено; 13 - изменение размеров формата или масштаба чертежа; 14 — определение плотности заполнения чертежа (^5);

15 - 70% < дs < 80%; 16 - получение конечной документации; 17 - дополнение БД новым представителем МИ.

Представлены результаты исследований, связанных с определением эффективности внедрения САПР металлорежущего инструмента, с использованием дополнительно разработанных модулей анализа и корректировки положения ФИ на чертеже.

Экспериментальные исследования показали, что разработанное программное обеспечение, реализующее предлагаемые алгоритмы, адекватно осуществляет корректировку чертежа металлорежущего инструмента, анализируя положения ФИ и производя их перемещение. На рис. 10 представлены результаты автоматизированного синтеза перемещений ФИ при корректировки их положения на чертеже. Проведенные исследования подтверждают эффективность использования разработанных алгоритмов и программ.

Рисунок 10 - Результаты расчета приращений обобщенных координат, определяющих положения габаритных прямоугольников ФИ иа чертеже: а) синтез перемещений трех ФИ; б) синтез перемещений четырех ФИ

Разработана структурная схема проектирования параметрических3 О моделей и создания чертежей прототипов на их основе.

ОСНОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель автоматизированного анализа взаимного положения фрагментов изображений чертежей металлорежущих инструментов, полученных с использованием параметрических трехмерных моделей.

2. На основе применения теории графов разработан способ моделирования процессов автоматизированного анализа положения и компоновки фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрических трехмерных и двумерных прототипов.

3. Разработана методика определения первоначальных численных значений координат, определяющих точки вставки фрагментов изображений, созданных на основе параметрических трехмерных моделей с учетом имеющихся графических баз данных металлорежущего инструмента.

4. Предложен способ вычисления траектории перемещения полюсов фрагментов изображений чертежей металлорежущего инструмента с целью корректировки их положения.

5. Разработан способ вычисления параметров выносных и размерных линий сечений, ориентация которых зависит от значения переменных ЗБ модели инструмента. В качестве функциональных зависимостей, при которых исключается наложение размерных линий и текстов друг на друга, предложено использовать интерполяционные полиномы Лагранжа.

6. Предложена структурная схема многоступенчатой модели системы автоматизированного проектирования металлорежущего инструмента на основе использования параметрического трехмерного моделирования, которая дополнена модулями анализа и корректировки положения фрагментов изображений чертежей.

7. Разработана структурная модель создания параметрических трехмерных и двумерных прототипов, используемых при разработке графических баз данных и проектировании металлорежущего инструмента.

8. Выявлены функциональные зависимости эффективности использования модулей анализа и корректировки положения фрагментов изображений на чертеже от их внутренних параметров.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИ РАБОТАХ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шмуленкова, Е.Е. Автоматизированный способ оценки взаимного положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента / Е.Е. Шмуленкова, Ф.Н. Притыкин // Вестник СибАДИ. -2011. — № 1 (19). - С. 59-61.

2. Шмуленкова, Е.Е. Решение задачи оптимального размещения фрагментов изображений чертежей режущих инструментов, полученных на основе 3-0 параметрических моделей / Е.Е. Шмуленкова // Вестник СибАДИ. — 20II. — № 2 (20). - С. 67-71.

3. Шмуленкова, Е.Е. Определение оптимальных значений переменных, характеризующих положение размеров сечений, при различных геометрических параметрах З-Б модели металлорежущего инструмента [Электронный ресурс] / Шмуленкова, Е.Е. // Инженерный Вестник Дона. - 2011. - № 3. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/latest/n3v2011 /раае/4/

В других изданиях:

1. Шмуленкова, Е.Е. Использование функций-подпрограмм, позволяющих кодированное описание процедур автоматизированного распознавания решения задач в курсе «Начертательная геометрия» / Е.Е. Шмуленкова // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. — Омск, 2008. — С. 146—150.

2. Шмуленкова, Е.Е. Методология построения автоматизированной системы проверки графических построений / Е.Е. Шмуленкова, Ф.Н. Притыкин // Материалы 63-й научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ». - Омск, 2009.-Кн. 1. —С. 207-210.

3. Шмуленкова, Е.Е. Автоматизированный способ оценки и корректировки положения фрагментов изображений металлорежущего инструмента // Вестник СибАДИ. - 2010. -№ 3 (17). С. 58-64.

4. Шмуленкова, Е.Е. Определение оптимальной формы замкнутых контуров фрагментов изображений металлорежущего инструмента / Е.Е. Шмуленкова // Материалы П1 Всероссийской научно-практич. конференции «Информационные технологии и технический дизайн в профессиональном образовании и промышленности». — Новосибирск, 2011. — С. 46 — 51.

5. Шмуленкова, Е.Е. Моделирование процедуры анализа векторных изображений на основе использования теории графов / Е.Е. Шмуленкова // Материалы VII международной научно-практич.конференции, «Новейшие достижения европейской науки». - София, 2011. - Том 40. - С. 7-12.

6. Шмуленкова, Е.Е. Определение эффективности внедрения модулей автоматизированной системы для оценки и корректировки положения графических построений при проектировании чертежей металлорежущих инструментов / Е.Е. Шмуленкова // Молодой ученый. - 2011. — №7. — С. 62-64.

7. Шмуленкова, Е.Е. Определение оптимального положения базовых точек вставки ассоциативных видов параметрической 3-Б модели для заданного множества представителей металлорежущего инструмента / Е.Е. Шмуленкова // Техника и технология.-М., 2011. -№4.-С. 39-43.

8. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. Автоматизированная система проверки графических построений / Ф.Н. Притыкин, А.И. Ани-щенко, Е.Е. Шмуленкова. № 10687; Опубл. 21.05.08. 2 с.

9. Шмуленкова, Е.Е. Составные структурные части системы автоматизированного проектирования для разработки чертежей резцов / Е.Е. Шмуленкова // Вестник омского государственного аграрного университета. - 2011. - №3. -С. 93-96.

10. Шмуленкова, Е.Е. Использование методов параметрического моделирования, с анализом и корректировкой положения фрагментов изображений при проектировании металлорежущего инструмента [Электронный ресурс] / Шмуленкова, Е.Е. // «Прикладная геометрия». - 2011. - Вып. 13. - № 27. -С.28-44.-Режим доступа: http://apg.mai.ru

Подписано к печати 09.02.2012 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Уел. п. л. 1,25; Уч.-изд. 0,9. Тираж 100. Заказ №24.

Отпечатано в подразделении оперативной полиграфии УМУ ФГБОУ ВПО «СибАДИ»

г. Омск, пр. Мира, 5

61 12-5/1917

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Омский государственный технический университет

На правах рукописи

ШМУЛЕНКОВА ЕЛЕНА ЕВГЕНЬЕВНА

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ ЧЕРТЕЖЕЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ТРЕХМЕРНОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., доцент Притыкин Ф.Н.

Омск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

Глава 1 Обзор и анализ современного решения проблемы разработки и использования систем автоматизации проектирования металлорежущего инструмента..................................................................................................... 11

1.1 Анализ автоматизированных систем, используемых для проектирования металлорежущего инструмента, и создание графических баз данных на основе ЗБ моделей.................... ........................ 11

1.2 Актуальность использования параметрического ЗБ моделирования при автоматизированном проектировании чертежей металлорежущего инструмента........................................................ 16

1.3 Анализ методик аналитического задания фрагментов изображений и анализа их взаимного положения применительно к чертежам металлорежущего инструмента.................................................... 19

1.4 Анализ методов, применяемых для корректировки положения

фрагментов изображений.................................................................. 24

Цели и задачи исследования.......................................................... 27

Глава 2 Использование математических моделей геометрических объектов для анализа положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента........................................................ 29

2.1 Создание параметрических ЗБ моделей и получение на их основе фрагментов изображений чертежей металлорежущего инструмента.......... 29

2.2 Математическое представление фрагментов изображений чертежей металлорежущего инструмента на основе использования теории

Я-функций............................................................................... 32

2.3 Использование функций-подпрограмм для анализа взаимного положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента............................................................................. 44

2.4 Моделирование процедуры анализа положения фрагментов

изображений чертежей металлорежущего инструмента на основе

использования теории графов.......................................................... 47

Выводы по главе 2........................................................................ 52

Глава 3 Способы автоматизированной корректировки положения фрагментов изображений, полученных на основе параметрической ЗБ модели, при разработке чертежей металлорежущего инструмента............ 53

3.1 Определение оптимального положения базовых точек вставки ассоциативных видов параметрической ЗЭ модели заданного множества представителей металлорежущего инструмента.................................... 53

3.2 Моделирование процедуры компоновки фрагментов изображений чертежей металлорежущих инструментов........................................ 57

3.3 Расчет траектории перемещения полюса фрагмента изображения чертежа металлорежущего инструмента с целью корректировки его положения..................................................................... 60

3.4 Размещение совокупности подвижных фрагментов изображений чертежей металлорежущего инструмента на основе использования обобщенных координат................................................................... 66

3.5 Размещение фрагментов изображений с помощью изменения формы

их ограничивающих контуров....................................................... 77

Выводы по главе 3........................................................................ 83

Глава 4 Проектирование металлорежущего инструмента с использованием параметрического моделирования и модулей анализа и корректировки положения фрагментов изображений.................................................... 84

4.1 Определение значений переменных, характеризующих положение размеров сечений, при различных геометрических параметрах металлорежущего инструмента................................................................ 84

4.2 Исследование параметров, влияющих на эффективность использования способа корректировки положения фрагментов изображений................... 88

4.3 Составные структурные части модулей, используемых при

проектировании металлорежущего инструмента.................................. 91

4.4 Определение эффективности внедрения модулей для анализа и корректировки положения фрагментов изображений при проектировании

чертежей металлорежущего инструмента.................................................. 101

Выводы по главе 4........................................................................ 105

Заключение................................................................................. 107

Библиографический список............................................................ 109

Приложение 1 Получение фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента на основе параметрических ЗБ моделей и

анализ их положения..................................................................................................................................................122

Приложение 2 Примеры задания моделей плоских открытых кинематических цепей, моделирующих движения фрагментов изображений на чертеже при решении задач корректировки их

положения............................................................................................................................................................................................................133

Приложение 3 Технический акт внедрения и свидетельство о регистрации электронного ресурса 138

Сокращения:

МИ - металлорежущий инструмент

БД - база данных

ГП - графические примитивы

ФИ - фрагменты изображений

ГО - графический объект

МКОТ - множество координат опорных точек

ЛП - линия построений

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Интенсивное развитие информационных технологий и систем автоматизированного проектирования непрерывно способствуют повышению уровня автоматизации проектирования металлорежущего инструмента. Процедура разработки чертежей металлорежущих инструментов с использованием систем автоматизированного проектирования (CAIIP) становится нормой для большинства предприятий и конструкторских бюро в современном мире.

В последние годы интенсивно развиваются системы автоматизированного проектирования с возможностями трехмерного параметрического твердотельного (3D) моделирования и параметрического черчения. Использование трехмерного параметрического твердотельного моделирования позволяет существенно снизить трудоемкость разработки чертежей металлорежущего инструмента. Тем не менее автоматизация проектирования чертежей все же остается неполной. На выполнение конструкторской документации по некоторым оценкам приходится до тридцати процентов неавтоматизированных работ. Так, например, при разработке чертежей металлорежущего инструмента, созданных на основе параметрического 3D и 2D моделирования, при изменении численных значений каких-либо переменных указанных моделей может произойти наложение фрагментов изображений чертежа друг на друга или их выход за пределы заданной области. При этом чертеж редактируется вручную.

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки модулей системы САПР металлорежущих инструментов, включающей параметрическое 3D и 2D моделирование и осуществляющей анализ и корректировку положений фрагментов изображений на чертеже.

Для разработки модулей автоматизированной системы, позволяющих осуществлять проектирование чертежей металлорежущего инструмента с использованием анализа положения фрагментов изображений, полученных на ос-

нове параметрических ЗБ моделей, необходима оценка графических примитивов по различным критериям.

Критерии анализа графических примитивов условно разделяются на несколько групп. К первой группе относится графическая информация об узловых точках отрезков, дуг, многоугольников и т.д. Во вторую группу условно могут, включены параметры формы и положения примитивов. Третья группа - критерии анализа атрибутов графических объектов, таких как принадлежность слою, тип линии, цвет и толщина. Так чертеж металлорежущего инструмента, созданный на основе параметрической ЗБ модели, характеризуется следующими внутренними параметрами: списком слоев, набором графических примитивов, количеством видов и сечений и др.

Таким образом, существует необходимость в решении задачи, которая, связана не только с построением двух или трехмерных графических объектов, но и с тем, чтобы по анализу графической информации на чертеже, необходимо оценить изображения отдельных графических объектов или их совокупностей, для дальнейшего редактирования чертежа металлорежущего инструмента автоматизированным способом. То есть для разработки и эффективного использования модулей автоматизированной системы целесообразно перейти на такой уровень, когда решается обратная задача, связанная с анализом графической информации на чертежах. При этом эффективность использования автоматизированной системы проектирования обеспечивается, когда в ее состав включены дополнительно разработанные модули анализа и корректировки положения. Экономическая целесообразность использования модулей анализа и корректировки положения фрагментов изображений подтверждается значительным сокращением времени, связанным с автоматизированным проектированием чертежей металлорежущего инструмента, удовлетворяющим требованиям стандартов.

Все вышесказанное позволяет определить объект, цели и задачи исследования.

Объектом исследования является процесс автоматизированной разработки чертежей металлорежущих инструментов с использованием параметрических ЗБ и 2Б прототипов.

Предметом исследования является модель автоматизированного анализа и корректировки положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрического ЗБ и 2Б моделирования, а также определение путей эффективного использования указанной модели при проектировании.

Цель диссертационной работы заключается в разработке модулей автоматизированного анализа и корректировки положения фрагментов изображений при создании чертежей металлорежущих инструментов на основе параметрического трехмерного и двухмерного моделирования.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Построить и апробировать математическую модель автоматизированного анализа положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрических ЗБ и 2Б прототипов.

2. Разработать математическую модель автоматизированной компоновки и корректировки положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента.

3. Определить зависимости параметров выносных и размерных линий сечений, ориентация которых зависит от значений переменных ЗБ модели металлорежущего инструмента.

4. Установить функциональную зависимость критериев, влияющих на эффективность использования модулей анализа и корректировки положения фрагментов изображений на чертеже, от их внутренних параметров.

5. Разработать и реализовать модули управления движением совокупностей геометрических объектов чертежей для автоматизированного проектиро-

вания металлорежущего инструмента на основе использования параметрического 3D моделирования.

Методы исследования. В работе использованы методы аналитической и вычислительной геометрии, методы компьютерной графики, методы теории алгоритмизации, теории графов и методы управления движением совокупностей геометрических объектов, связанных со звеньями механизмов.

Основной теоретической базой исследований являются труды следующих ученых:

- в области аналитических методов задания графических объектов и анализа их взаимного положения: Рвачева В. JL, Стояна Ю. Г., Туранова Н. Т., Пе-тунина А. А., Васина А. Ю., Бунакова П., Бронштейна И. Н., Семендяева К. А., Светушкова Н., Зуева С. А..

- в области автоматизированных систем проектирования: Роджерса Д., Кудрявцева Е. М., Принса М. Д., Шпура Г., Краузе Ф. JL, Капитанова Н., Кочана И., Глотовой В., Цепы С. П., Павлова С. Н., Лясина Д. Н., Гаврилова А. В., ХиллаМ., Dad X., Yiping Т..

в области проектирования металлорежущего инструмента: Четверикова С. С., Юликова, М. И., Горбунова Б. П., Внукова Ю. Н., Баранчи-кова В. И., Боровского Г. В., Новоселова Ю. А., Елохина Е..

- в области разработки автоматизированных систем, используемых для анализа изображений: Хейфеца А. Л., Карабчевского В. В., Проглядовой Н. Л., Притыкина Ф. Н., Швайгера А. М., Петунина А. А..

Научная новизна работы.

1. Предложена структурная модель процесса создания параметрических трехмерных и двухмерных прототипов, используемых при разработке чертежей металлорежущих инструментов.

2. Разработана математическая модель реализации процесса автоматизированного анализа взаимного положения фрагментов изображений применительно к чертежам металлорежущего инструмента, полученных с использованием параметрического трехмерного моделирования.

3. Разработана математическая модель процесса корректировки положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрических трехмерных и двухмерных прототипов;

4. Предложена структурная схема и алгоритм взаимодействия основных процедур системы автоматизированного проектирования металлорежущего инструмента с использованием модулей трехмерного параметрического моделирования (3D), а также анализа и корректировки положения фрагментов изображений чертежей.

Практическая значимость выполненного исследования заключается в создании модулей автоматизированной системы проектирования металлорежущего инструмента, позволяющих:

- выполнять автоматизированный анализ взаимного положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента, полученных на основе параметрического трехмерного и двухмерного моделирования;

- осуществлять автоматизированную корректировку положения фрагментов изображений;

- создавать параметрические трехмерные и двухмерные прототипы, используемые при разработке графических баз данных металлорежущего инструмента.

Разработанные модули получили подтверждение в виде свидетельства о регистрации программ для ЭВМ (№ 17512) и могут быть включены в базу данных существующих систем автоматизированного проектирования металлорежущего инструмента.

Результаты исследований, выносимые на защиту:

- структурная модель процесса создания параметрических трехмерных и двухмерных прототипов чертежей металлорежущего инструмента;

- математическая модель, позволяющая осуществлять реализацию процесса автоматизированного анализа взаимного положения фрагментов изображений на чертежах металлорежущего инструмента;

- математическая модель процесса автоматизированной корректировки положения фрагментов изображений, полученных на основе параметрических ЗТ> и Ю прототипов чертежей металлорежущего инструмента;

- результаты исследований критериев, влияющих на эффективность использования разработанных модулей анализа и корректировки положения фрагментов изображений в зависимости от их внутренних параметров.

Внедрение результатов работы. Автоматизированная система анализа и корректировки положения фрагментов изображений внедрена на моторостроительном объединении им. П.И. Баранова для разработки чертежей металлорежущих инструментов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях: на всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск, 2008); на научно-технической конференции СибАДИ (Омск, 2009); на III Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и технический дизайн в профессиональном образовании и промышленности» (Новосибирск, 2011); на VII международной научно-практической конференции, «Новейшие достижения европейской науки» (София, 2011).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано тринадцать работ, в которых достаточно полно отражены теоретические и практические результаты проведенных исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы, который включает 134 источника, и трех приложений. Она содержит 141 страницу машинописного текста, 57 рисунков, 9 таблиц.

Глава 1 Обзор и анализ современного решения проблемы разработки и использования систем автоматизации проектирования металлорежущего инструмента

1.1 Анализ автоматизированных систем, используемых для проектирования металлорежущего инструмента и создание графических баз данных на основе 3D моделей

Информационные технологии стали неотъемлемой частью при проектировании изделий раз�