Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Технология структурно-семантического 3D-моделирования в комплексном процессе конструирования

Полный текст:

Аннотация

Представлен подход к автоматизации конструкторской деятельности, основанный на биективном соответствии между структурой изделия и процессом построения его электронной 3D-модели. Предлагаемый подход позволяет обеспечить сохранение семантической целостности конструкторского решения и сократить временны´е ресурсы, затрачиваемые на его формирование.

Для цитирования:


Цыганков Д.Э. Технология структурно-семантического 3D-моделирования в комплексном процессе конструирования. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(4):91-97.

For citation:


Tsygankov D.E. Structural semantic 3D modeling technology in the integrated design process. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(4):91-97. (In Russ.)

Введение

Благодаря развитию информационных техно­логий в производственной отрасли (в частно­сти, линейки CAE/CAD/CAM-систем) упроч­няется положение электронных 3D-моделей в жизненном цикле изделия (ЖЦИ) [1]. Это касается, прежде всего, стадии опытно-кон­структорских работ (ОКР), на которой 3D-мо- дель в полной мере представляет собой конструкторское решение [2].

Очевидно, что на этапе технического проектирования (конструирования) важней­шую информацию содержит именно конструк­ция изделия, отображаемая современными CAD-системами следующим образом:

где Констр(Изд) - конструкция изделия;

- 3D-модель изделия.

Однако в процессе формирования кон­струкции изделия в CAD-системе пользова­тель (инженер-конструктор) оперирует толь­ко абстрактным функционалом используемой САПР, что приводит к потере исходного кон­структорского замысла и, как следствие, к ограничению возможностей повторно исполь­зовать и модифицировать сформированную 3D-модель. Таким образом, фиксация кон­структорского замысла в 3D-модели является актуальной задачей.

Электронная 3D-модель изделия

В современных САПР 3D-модель является лишь следствием выполнения базовых опе­раций (БО) - простейших проектных опе­раций, предоставляемых функционалом ис­пользуемой CAD-системы. Базовые операции фиксируются в так называемом дереве по­строения 3D-модели, являющемся линейной последовательностью взаимосвязанных БО. Тогда

где  -  последовательность выполнения БО, формирующих маршрут конструирова­ния, т. е. набор БО, обеспечивающий постро­ение 3D-модели изделия.

В рамках технологии Constructive Solid Geometry, реализованной практически во всех современных САПР, 3D-модель может быть представлена в виде системы

где КЭГk - конструктивный элемент геоме­трии, определяемый в работе [3] как объект с предопределенным поведением и структурой данных, задаваемых при выполнении проект­ной процедуры. Эквивалентом КЭГ в англо­язычной литературе является термин фичерс (англ. features).

Информативность 3D-модели

Информативность 3D-модели заключается в ее способности отображать информацию об из­делии, актуальную для текущего этапа ЖЦИ [4]. Отображение конструкции изделия - это основной функционал CAD-системы, пред­ставляющий собой проектное решение в виде 3D-модели, которое обладает законченностью конструкции:

При этом все конструкторские данные, отображаемые 3D-моделью, содержатся имен­но в базовых операциях, иерархически упо­рядоченных в дереве построения 3D-модели:

где - дерево построения 3D-модели.

В работе [5] отмечается, что дерево по­строения полностью описывает 3D-геометрию и является основным источником информации о ней.

Наибольшая информативность 3D-модели на этапе ОКР достигается при отображении конструкторской структуры изделия (КСИ). Такая 3D-модель уже в полной мере является компонентой цифрового макета изделия [6].

В национальном стандарте Российской Федерации ГОСТ Р 53394-2017 конструктор­ская структура определяется как структура (система), состоящая из конструктивных и функциональных элементов, и связей, опре­деляющих их взаимную входимость [7]. Такое системное определение структуры изделия со­ответствует модульному принципу, впервые представленному в работе [8].

Конструкторская структура изделия

Согласно определению, приведенному выше, и данным работы [9], можно выделить следу­ющие конструктивные элементы (КЭ):

  • рабочие элементы (выполняют регла­ментированные функции изделия);
  • базовые элементы (координируют одно изделие относительно других);
  • соединительные элементы (материаль­но связывают изделия в процессе сборки друг с другом);
  • технологические элементы (реализуют технологические процессы изготовления изде­лия и его последующей сборки).

Одни и те же КЭ могут выполнять функ­ции рабочих, базовых и соединительных эле­ментов. Наиболее оптимальный вариант - объ­единение в конструкции рабочих элементов с базовыми при сокращении количества соеди­нительных [9].

Каждый конструктивный элемент обла­дает семантической наполненностью, заклю­чающейся в конструктивно-функциональном назначении, частично присутствующем в его децимальном номере и наименовании. Сле­довательно, КЭ обладает смыслом в заданной предметной области, которая определяется фи­нальным изделием уровня «Узел» («Сборочная единица»). На основе физического смысла за­дается наименование КЭ и выделяются атри­буты, определяющие его информационный 3D-образ, значения которых являются харак­теристикой конкретного экземпляра КЭ.

С учетом структурно-функциональной декомпозиции конструкции изделия на КЭ и состава 3D-модели из последовательности БО (2) отображение дерева построения вида  в CAD-системе может быть реализовано двумя методиками, детально рас­смотренными в работе [10].

Принцип структурного соответствия

В основе принципа структурного соответ­ствия при отображении КСИ в дереве постро­ения 3D-модели лежат три критерия, впервые выделенные в работе [10].

  1. Фиксация и отображение конструктор­ского замысла в рамках 3D-модели.
  2. Оперирование смысловыми единица­ми, актуальными в заданной предметной об­ласти в процессе формирования 3D-модели.
  3. Легкость и удобство процесса постро­ения и повторного использования 3D-модели.

Предложенный автором данной статьи принцип структурного соответствия являет­ся по своей сути биективным отображением конструкторской структуры проектируемого изделия (как набора КЭ) в дереве построения его 3D-модели:

где СМО - семантическая макрооперация построения 3D-объекта, соответствующего одному КЭ;

n - количество КЭ в конструкции проек­тируемого изделия.

СМО - упорядоченная последователь­ность БО, формирующая результирующий 3D-объект конструктивного элемента, опре­деляемая по формуле

Дерево 3D-модели построения проекти­руемого изделия представлено на рис. 1.

Основная идея принципа структурного соответствия заключается в информацион­но-смысловой композиции базовых операций CAD-системы согласно формуле (6) до уровня семантической макрооперации со строгим со­ответствием вида СМО → КЭ. Так, конструк­торская структура изделия Стр(Изд) и дерево построения 3D-модели  являются равно­ мощными как множества:

Таким образом, преимущества рассмо­тренных в статье [10] подходов реализованы во взаимно однозначном соответствии между СМО и КЭ, способствующем фиксации конструкторского замысла в процессе построения 3D-модели.

На рис. 2 представлено предлагаемое отображение структуры изделия уровня «Де­таль» - корпуса из состава микрополоскового модуля СВЧ.

 

Рис. 2. Структурно-семантическое представление детали «Корпус»

 

Как видно на рис. 1, дерево построения 3D-модели уже не представляет собой после­довательность абстрактных БО, а имеет фикси­рованный конструкторский смысл, отображая структуру проектируемого изделия.

Семантическая макрооперация

Механизм обобщения базовых операций до уровня семантических единиц впервые опи­сан в работе [10]. Его главной целью является повышение информативности процесса построения 3D-модели в САПР за счет перехода от абстрактных базовых операций к СМО, не­сущим фиксированный конструктивно-функ­циональный смысл в заданной предметной области.

Структура СМО представлена на рис. 3. На выходе СМО формируется класс семан­тических конструктивных элементов гео­метрии - ,   отображающих элементы конструкции изделия как составные части 3D-модели. СМО - это композиция БО. С уче­том записи (6) она описывается как

где  - параметры j-й СМО и q-й БО соответственно.

 

 

Семантическая макрооперация наследу­ет все параметры базовых операций, входящих в ее состав. При этом пользователь задает на­бор семантических параметров ,  кото­рые описывают j-ю СМО и обладают конструкторским смыслом, ассоциативно связыва­ющим все парkБОq  между собой. Важнейшее значение в структуре СМО имеет алгоритм ее реализации Алг(СМОi). В зависимости от входных параметров данный алгоритм регла­ментирует выстраивание базовых операций в определенные последовательности (маршруты конструирования), обеспечивающие формиро­вание экземпляра конструкторского решения. Такая последовательность записывается в виде:

В рамках одной СМО предусмотрено обобщение таких последовательностей до уровня класса семантического подобия.

Семантическое подобие

Как критерий класса конструкторских ре­шений семантическое подобие основано на конструктивно-функциональных свойствах реального изделия уровня «Узел». В общем случае семантическое подобие подразуме­вает геометрическую (параметрическую) и структурную (топологическую) вариатив­ность конструкторских решений. Реализовать одновременно оба типа вариативности в стан­дартном функционале CAD-системы не пред­ставляется возможным.

Обобщаемые в одной СМО маршруты конструирования, отличающиеся значениями параметров, количеством БО и их составом, обеспечивают структурно-геометрическую вариативность выходных данных на уровне конструктивного элемента геометрии. Для обеспечения семантической вариативности (с сохранением конструкторского замысла) в алгоритм СМО закладываются правила и условия их выполнения. От условий зависит корректность входных данных в плане их фи­зического смысла в предметной области. Правила имеют более сложную структуру, обеспе­чивая древовидность СМО. В работе [11] они обозначены термином «продукционные пра­вила» и представляют собой условную связку «ЕСЛИ - ТО».

Множество условий и правил позволяет реализовать в одной СМО класс подобных по конструктивно-функциональному назначению КЭ. Все маршруты конструирования входящих в данный класс КЭ обобщаются до единой дре­вовидной структуры. Тогда экземпляр класса КЭ формируется следующим образом:

где m - номер конструкторского маршрута, который определяет формируемый КЭ уни­кальным набором конструктивно-функцио­нальных параметров и атрибутов.

Представление 3D-модели в виде по­следовательности СМО обеспечивает струк­турно-геометрическую вариативность кон­структорского решения. Это достигается по­средством обращения к СМО как к самостоя­тельному модулю, ассоциативно связанному с остальными, что позволяет сохранять семан­тическую корректность конструкции.

3D-модели деталей типа «Корпус», при­веденные на рис. 4, отличаются и геометрией, и структурой, при этом обобщаются по призна­кам семантического подобия в класс «Корпуса микрополосковых модулей СВЧ».

 

Рис. 4. Класс семантически подобных изделий уровня «Корпус»: а - деталь 1; б - деталь 2; в - деталь 3

 

Геометрическая вариативность представ­ленных на рис. 4 корпусов обеспечивается различными значениями семантических па­раметров, приведенных в таблице. Все ука­занные параметры задаются при построении конструктивно-функциональной основы в виде отсека под плату микрополосковую.

 

Таблица

Семантические параметры деталей

Параметры

Деталь 1

Деталь 2

Деталь 3

Ширина w, мм

52,0

62,2

52,0

Длина l, мм

52,0

48,2

52,0

Высота корпуса h, мм

16,8

12,5

16,8

Внутренний радиус r, мм

3,0

2,5

3,0

Толщина стенок t, мм

3,2

4,0

3,2

Толщина основания d, мм

7,5

3,0

7,5

Структурная вариативность корпусов (см. рис. 4) обеспечивается различными набо­рами и типами конструктивно-функциональ­ных фрагментов: отверстием под разъем коаксиальным, лапками монтажными и др.

Структурно-геометрическая вариатив­ность 3D-моделей деталей, входящих в состав сборочной единицы, позволяет выбирать класс семантически подобных узлов. Задаваемые алгоритмом СМО правила могут включать установку сопряжений в составе сборочной 3D-модели. Это позволяет привязывать ком­поненты не к абстрактным геометрическим, а к структурным элементам друг друга как в задаче формирования, так и модификации сбо­рочной 3D-модели.

На рис. 5 представлены семантически по­добные узлы - экземпляры класса «Микрополосковые модули СВЧ», сформированные в ходе структурно-геометрической модификации корпусов (деталей) (см. рис. 4). Узлы имеют следующие семантические параметры:

 

Рис. 5. Класс семантически подобных изделий уровня «Узел»: а - узел 1; б - узел 2; в - узел 3

Заключение

Предложенная автором методика представле­ния 3D-модели в САПР нацелена на повыше­ние информативности последней с одновре­менным снижением трудоемкости ее построения и затрачиваемых временных ресурсов. Отличиями предлагаемого подхода являются сохранение конструкторского замысла в зада­чах формирования и модификации конструк­торского решения в виде 3D-модели, а также обеспечение его семантической целостности. При использовании данного подхода устраня­ется необходимость оперирования конструк­тивными элементами геометрии, привязанны­ми к конкретной САПР, и восстанавливается конструкторская структура проектируемого изделия по семантическим макрооперациям. Именно СМО являются основным конструк­торским действием, позволяющим при опи­сании 3D-модели уйти от абстрактных геоме­трических элементов к реальным элементам конструкции изделия.

Эффективность предложенного подхо­да доказана при работе с 3D-моделями, от­личающимися геометрической сложностью. Таким моделям соответствуют изделия, обла­дающие сложной функциональной структурой, например рассмотренные в качестве примера компоненты микрополосковых модулей СВЧ.

Следующим шагом является разработка библиотеки СМО под конкретный класс про­ектируемых изделий, содержащей функции создания, хранения, вызова, редактирования и удаления СМО. Если с точки зрения пользователя-конструктора СМО являются целост­ными (неделимыми) единицами, то в данной библиотеке будет задаваться их внутренняя структура и правила.

Список литературы

1. Методологические основы проектирования сложных наукоемких изделий и принципы построения интегрированной информационной среды на базе CALS-технологий / А. А. Вичугова, В. Н. Вичугов, Е. А. Дмитриева и др. Томск: Том. политехн. ун-т, 2013. 180 с.

2. Антипин А. В., Носкова Е. Е. Интеграция САПР при конструировании электронной аппаратуры // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2013. Т. 1. № 9. С. 192.

3. Малюх В. Н. Введение в современные САПР. М.: ДМК Пресс, 2010. 192 с.

4. Бабанин В. С. Методика создания конструкторско-технологической модели детали в среде CAD-системы // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2014. Т. 57, № 8. С. 21–25.

5. Варакин А. А., сост. Использование САПР SolidWorks в конструкторско-технологическом проектировании электронных средств. Ч. 1. Основы создания трехмерных моделей. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2009. 52 с.

6. Лихачев М. В., Шангина Е. А. Применение технологии функционального цифрового макета изделия на этапе предконтрактного проектирования космического аппарата // Решетнёвские чтения. 2013. Т. 1, № 17. С. 24–26.

7. ГОСТ Р 53394–2017. Интегрированная логистическая поддержка. Термины и определения. Введ. 2017–07–01. М.: Стандартинформ, 2017. 28 с.

8. Базров Б. М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение, 2001. 368 с.

9. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов. СПб.: Политехника, 2007. 579 с.

10. Похилько А. Ф., Цыганков Д. Э. Отображение функциональной структуры проектируемого изделия в дереве построения его 3D-модели // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19, № 1–2. С. 424–427.

11. Евгенев Г. Б., Кокорев А. А., Пиримяшкин М. В. Метод генерации 3D-моделей в продукционных базах знаний // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 4 (661). С. 38–48.


Об авторе

Д. Э. Цыганков
Акционерное общество «Ульяновский механический завод»; Ульяновский государственный технический университет
Россия

Цыганков Денис Эдуардович – инженер-конструктор второй категории Акционерного общества «Ульяновский механический завод», аспирант кафедры «Прикладная математика и информатика» Ульяновского государственного технического университета. Область научных интересов: средства и методы автоматизации конструкторской деятельности, моделирование и проектирование микрополосковых СВЧ-устройств.

г. Ульяновск



Для цитирования:


Цыганков Д.Э. Технология структурно-семантического 3D-моделирования в комплексном процессе конструирования. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(4):91-97.

For citation:


Tsygankov D.E. Structural semantic 3D modeling technology in the integrated design process. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(4):91-97. (In Russ.)

Просмотров: 43


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)