Повышение информативности 3D-модели изделия на основе конструктивно-функционального представления дерева построения в CAD-системе

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Цыганков Д. Э. Повышение информативности 3D-модели изделия на основе конструктивно-функционального представления дерева построения в CAD-системе // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2017. – Т. 39. – С. 1646–1650. – URL: http://e-koncept.ru/2017/970656.htm.
Аннотация. В настоящей работе рассматривается подход к повышению информативности электронных 3D-моделей на этапе конструкторского проектирования в плане отображения не только конструкции проектного решения, но и его функциональной структуры. Данный метод основан на биективном соответствии между деревом построения 3D-модели в CAD-системе и функциональной конструкции проектируемого изделия.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Цыганков Денис Эдуардович,аспирант кафедры «Прикладная математика и информатика» ФГБОУВО«Ульяновский государственный технический университет», г.Ульяновскd.tsyg@mail.ru

Повышению информативности 3Dмодели изделия

на основе конструктивнофункционального представления деревапостроенияв CADсистеме

Аннотация.В настоящей работе рассматривается подход к повышению информативности электронных 3Dмоделей на этапе конструкторского проектирования в плане отображения нетолько конструкции проектного решения, но и его функциональной структуры. Данный метод основан на биективном соответствии между деревом построения 3Dмодели в CADсистеме и функциональной конструкции проектируемого изделия.Ключевые слова:3Dмодель, проектное решение, техническое проектирование, CADсистема, конструкция, цифровой макет, функциональная структура.

Непрекращающееся развитие CAxсистем упрочнило положение 3Dмоделей в жизненном цикле изделия (ЖЦИ) [1,2], прежде всего, на стадии опытноконструкторских работ (ОКР) [3], вследствие чего, последние являются отображением изделиякак в процессе его изготовления –при моделировании в CAMсистемах, принципах функционирования, что обеспечивается функционалом CAEсистем, так и собственно конструкции, формируемой в CADсистемах. Очевидно, что для этапа конструкторского (технического) проектирования важнейшей проектной информацией является именно конструкцияизделия, отображаемая современными CADсистемами следующим образом: (1)где , Констр.(Изд.) –3Dмодель изделия и его конструкция соответственно.Непосредственно сама 3Dмодель является лишь «следствием»выполнения базовых операций (БО)CADсистемы [4], иерархически упорядоченных в т.н. «дереве построения»3Dмодели [5] –линейной последовательностью взаимосвязанных БО, тогда: (2)где символ конъюнкции означает последовательность выполнения БО, формируя проектный маршрут –упорядоченный набор БО, формирующий 3Dмодель изделия.Информативность 3Dмодели заключается в отображении ею требуемых для текущего этапа ЖЦИ проектных данных об изделии [6]. Отображение его конструкции –основной функционал CADсистемы: проектное решение в виде 3Dмодели обладает законченностью конструкции, т.е. . При этом, проектные данные об изделии, отображаемые 3Dмоделью, содержится именно в базовых операциях [2,4], составляющих его структуру –дерево построения 3Dмодели: (3)где –дерево построения электронной 3Dмодели проектируемого изделия.Наибольшая информативность трехмерной модели обеспечивается отображением функциональной структуры изделия, такая 3Dмодель уже в полной мере является компонентой цифрового макетаизделия [7].Национальный стандарт Российской Федерации [] определяет функциональную структурукак «структуру, состоящую из элементов, описывающих функции–функциональных элементов(ФЭ), и связей между ними, не содержащую подробностей их реализации (обычно представляющуюся отображающим иерархию функций графом)».К ФЭ, подходящим под данное выше определение, согласно [9] относятся:●Рабочие элементы (РЭ), непосредственно выполняющие регламентированные функции изделия;●Базовые элементы (БЭ), обеспечивающие координацию изделия относительно других изделий в процессе сопряжения;●Соединительные элементы (СЭ), служащие для материальной связи рабочих и базовыхэлементов друг с другом;●Технологические элементы (ТЭ), служащие для реализации технологического процесса изготовления изделия и его последующей сборки.Одни и те же ФЭ могут играть роль как РЭ, так и БЭ и СЭ; наиболее благоприятный вариант –это объединение в конструкции РЭ и БЭ при минимизации СЭ [9].Пример выделения ФЭ изделия представлен на рисунке1. В качестве примера рассматривается гайка накидная из состава коаксиального соединителя (вилки) типа IVпо ГОСТ202653 и ГОСТРВ519142002, обеспечивающая резьбовое соединение с ответной частью (розеткой) [10].

Рис.1.Выделение функциональных элементов(ФЭ)проектируемого изделияКаждый ФЭ имеет однозначно верно воспринимаемую семантическую наполненность (резьба, рифление и др.), актуальную в предметной области изделия –соединителя коаксиального [11], а также проектируемого финального изделия уровня «Сборочная единица», куда входит рассматриваемая деталь [12]. На основе физического смысла выделяются атрибуты ФЭ [13], качественно и количественно определяющие его итоговый геометрический 3Dобраз [14] (диаметр отверстий, количество лысок, тип рифления и др.). Значения данных атрибутов являются характеристикой конкретного экземпляра ФЭ.С учётом структурнофункциональной декомпозиции (СФД) изделия на ФЭ, проводимой в процессе СФА, и состава структуры 3Dмодели из набора БО в соответствии с формулой (2), отображение дерева построения вида в CADсистеме может быть реализовано двумя методами:•Метод сюръективного отображения.Данный метод основан на объектноориентированном упорядочивании (но не объединении) БО CADсистемы в дереве построения 3Dмодели [15]. Согласно ему, требуемое отображение может быть достигнуто вполне очевидным образом, представленным на рисунке2 и формулой (4):

Рис.2.Сюръективное отображение структуры проектируемого изделия (4)т.е. каждый ФЭ строится упорядоченным набором {БОk}, при k [1…n], предоставляя соответствующие проектные параметры для определения его геометрического 3Dобраза [15], то есть, является, по своей сути шаблоном [16,17]. При этом конкретный состав и количество БО выбирается инженером.Достоинствотакого описания процесса построения 3Dмодели заключается в максимально возможно подробной (в рамках функционала CADсистемы) визуализации информации о структуре проектного решения, четко и понятно воспринимаемой, а также в удобстве редактирования и модификации. То есть, при изменении СФЭ, модификация его 3Dобраза будет осуществлятьсявнесением изменений в соответствующие БО (уровня как 2Dи как 3D). Недостаткомявляется высокая сложность процесса построения 3Dмодели, в том числе и ее параметризация и обеспечение ассоциативности, а кроме того, необходимость в познании устройства проектируемого изделия (этой информацией конструктора владеют не всегда, в отличие от расчетчиков и схемотехников).Очевидно, что такое построение 3Dмодели затруднительно как в плане затрачиваемых трудовых и временных ресурсов, так и в плане высокой интеллектуальной нагрузки на пользователя, поэтому на практике чаще применяется другой подход.•Метод минимума проектных действий.Его суть заключается в быстрейшем и, соответственно, легчайшем процессе построения 3Dмодели в плане минимального числа БО CADсистемы[18]. Отображение структуры проектируемого изделия 3Dмоделью в соответствии с данным методом имеет вид, представленным на рисунке3 и формулой (5):

Рис.3.Отображение структуры проектируемого изделия по методу минимума проектных действия (5)т.е. набор {БОi}, при i [1…n]может отображать какойлибо фиксированный набор {ФЭk}, при k [0…m]или же их частей (при k=0), без четкого соответствиявида . Такой вариант удобнее для инженеров, т.к. требует минимума проектных действий –количества БО и дает возможность построить требуемую геометрию выбранным на свое усмотрение способом, оперируя знакомыми методами построения трехмерных тел[19].Достоинстватакого описания 3Dмодели –это, прежде всего, легкость построения результирующего 3Dобраза с низкой интеллектуальной нагрузкой на пользователя, временными и трудовыми затратами, а также более легкая параметризация. Недостаткамиявляются как отсутствие отображения изначально заложенной информационносмысловой наполненности проектного решения (в плане его структуры), так и трудность внесения изменений с сохранением корректности структуры проектного решения. При таком подходе крайне затруднительно повторное использование проектных данных.Сравнивая и анализируя представленные выше методы, становится очевидным, что оптимален синтез их ключевых преимуществ, а именно:1.Фиксация и отображение подробной информации о структуре проектируемого изделия, актуальной в его предметной области, в рамках 3Dмодели;2.Легкость и удобство процесса построения 3Dмодели в CADсистеме, обеспечивающего простоту процессов редактирования и модифицирования.Реализация указанного набора признаков предлагается в следующем методе:•Метод структурного соответствия. Этот метод является, по своей сути, биективным отображением структуры проектируемого изделия (набора ФЭ) деревом построения 3Dмодели, что представлено на рисунке4 и формулой (6): (6)где n–количество ФЭ в проектируемом изделии, МкФ–семантическая макрофункция построения 3Dобраза соответствующего ФЭ изделия, определяемая как: (7)т.е. МкФ–это последовательность упорядоченно выполняющихся БО, формирующих на основе операций CADсистемы результирующий 3Dобраз ФЭ.

Рис.4.Биективное отображение структуры изделия

в дереве построения 3Dмодели

Основная идея метода структурного соответствия заключается в информационносмысловом обобщениибазовых операций CADсистемы в соответствии с формулой (7) до уровня семантической макрофункции(МкФ)построения 3Dобраза ФЭ [20], с четким смысловым соответствием МкФ → ФЭ. Функциональная структура изделия и дерево построения 3Dмодели как множества, являются равномощными, т.е.: (8)Таким образом, достоинства метода сюръективного отображения реализованы в четком и строгом соответствии между МкФи ФЭ, а достоинства метода минимума проектных действий отражены в оперировании непосредственно параметрами макрофункций, набор которых определяется функциональной структурой изделия.Пример предлагаемого метода информационного отображения функциональной структуры проектируемого изделия в дереве построения его 3Dмодели представлен на рисунке5.На данном рисунке видно, что дерево построения 3Dмодели гайки накидной состоит уже не из абстрактных базовых операций CADсистем, а из семантических макрофункций построения 3Dобъектов функциональных элементов (выделенных на рисунке1), обладающих строгим физическим смыслом в ее предметной области.

Рис.5.Пример биективногоотображения структуры изделия в дереве построения 3DмоделиДанное исследование проводится в рамках гранта №1647732138«Разработка моделей, методов и средств информационной поддержки технологий Concurrent Engineeringна основе интегрированного представления процесса в интеллектуальной базе знаний САПР», поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ).

Ссылки на источники1.Ахтулов, А.Л. Задачи геометрического моделирования в создании систем автоматизации конструирования обводообразующих поверхностей сложных объектов / А.Л. Ахтулов, Л.Н. Ахтулова // Вестник Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. –2011. –№ 22. –С. 4347.2.Tsygankov, D. et al. The Design Process Structural & Logical Representation in the Concurrent Engineering Infocommunication Environment, R. Curran et al. (eds.) Transdisciplinary Lifecycle Analysis of Systems –Proceedings of the 22nd ISPE Inc. International Conference on Concurrent Engineering, July 2023, 2015, IOS Press, Amsterdam, 2015, pp. 595602.3.Антипин, А.В. Интеграция сапр при конструировании электронной аппаратуры / А.В. Антипин, Е.Е. Носкова // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. –2013. –Т. 1. –№ 9. –С. 192.4.Цыганков, Д.Э. Представление процесса проектирования на базе обобщения элементарных операций до уровня семантических единиц / Д.Э. Цыганков, А.Ф. Похилько // Автоматизация процессов управления. –2015. –№ 3 (41). –С. 188.5.Hamilton, P. Азбука технологий моделирования в MCADсистемах. Ч. III. Как технологии MCADвлияют напроцесс разработки изделия // CAD/CAM/CAEObserver. –2008. –№ 2. –C. 3436.6.Вичугова, А.А. Формальная модель структуры взаимосвязей разнотипных объектов проектирования / А.А. Вичугова, В.Н. Вичугов, Г.П. Цапко // Известия Томского политехнического университета. –2013. –Т. 322. –№ 5. –С. 164169.7.Лихачев, М.В. Применение технологии функционального цифрового макета изделия на этапе предконтрактного проектирования космического аппарата / М.В. Лихачев, Е.А. Шангина // Решетневские чтения. –2013. –Т. 1, № 17. –С. 2426.8.ГОСТ Р 533942009. Интегрированная логистическая поддержка. Основные термины и определения. –М.: Стандартинформ, 2010. –24 с.9.Латыев, С.М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учебное пособие / С.М. Латыев –СПб.: Политехника, 2007. –579 с.10.ГОСТ 202653. Соединители радиочастотные коаксиальные. Присоединительные размеры. –М.: Издательство стандартов, 194. –14 с. 11.Калашников, А.В. Наиболее распространенные коаксиальные радиочастотные соединители [Электронный ресурс] –URL:http://hamradio.online.ru/ftp2/hfvhf.pdf(дата обращения 13.03.2017 г.).12.Толкачева, Е.В. Автоматизация синтеза технологических решений и их документирования на основе извлечения инженерных знаний / Е.В. Толкачева, И.И. Семенова // Вестник Воронежского государственного технического университета. –2011. –Т. 7, № 4. –С. 7680.13.Цыганков Д.Э. Выделение структурнофункциональных элементов электронной цифровой модели изделия / Д.Э. Цыганков, А.Ф. Похилько // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: материалы Международной научнотехнической конференции «INTERMATIC–2016» / под ред. А.С. Сигова. –Москва: ГаллеяПринт, 2016. –Ч. 4. –С. 11120.14.Цыганков, Д.Э. Представление проектируемого изделия системой структурнофункциональных элементов / Д.Э. Цыганков, А.Ф. Похилько // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: сборник научных трудов. –Ульяновск: УлГТУ. –С. 250252.15.Евгенев, Г.Б. Метод генерации 3Dмоделей в продукционных базах знаний / Г.Б.Евгенев, А.А. Кокорев, М.В. Пиримяшкин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. –2015. –№ 4 (661). –С. 348.16.Калинцев, В.И. Применение шаблонов KnowledgebasedEngineeringв САПР CATIAV5 для моделирования сотовых панелей / В.И. Калинцев,М.В. Лихачев // Решетневские чтения. –2015. –Т. 2, № 19. –С. 220222.17.Похилько, А.Ф. Построение модели классов объектов и типовых методик проектирования в интегрированной интероперабельной среде САПР / А.Ф. Похилько // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2001. №4. С.3540.18.Кидрук, М.И. Компас3DV10 на 100%. –М.: Питер, 2009. –500 с.19.Цыганков, Д.Э. Представление процесса проектирования системой процессных диаграмм в интегрированной инструментальной среде / Д.Э. Цыганков,А.И. Сидорычев // Научнометодический электронный журнал «Концепт». –2015. –Т. 13. –С. 22962300.20.Tsygankov, D. et al. The Design Process Data Representation Based on Semantic Features Generalization, M. Borsato et al. (eds.) Transdisciplinary Engineering: Crossing Boundaries –Proceedings of the 23rd ISPE Inc. International Conference on Transdisciplinary Engineering, October 37, 2016, IOS Press, Amsterdam, 2016, pp. 127132.