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

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 КЭГ_k - 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.

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 пар_k^БОq  между собой. Важнейшее значение в структуре СМО имеет алгоритм ее реализации Алг(СМО_i). 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».

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.

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:

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.