Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Внесение конструкторских данных в проектное решение и их модификация в задачах геометрического моделирования

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-1-85-92

Полный текст:

Аннотация

Рассматривается подход к достижению модифицируемости проектных решений в виде электронных 3D-моделей деталей и сборочных единиц в САПР, основанный на их «модульном» представлении – в виде системы 3D-макрообъектов, типовых для заданной предметной области, обладающих физическим смыслом и описываемых набором конструкторских параметров. Вариативность значений выделенных параметров задает класс проектных решений, отличающихся как геометрически, так и структурно, но обобщенных по их конструктивно-функциональной специфике. Основным преимуществом предложенного подхода является обеспечение смысловой целостности проектного решения при его модификации.

Для цитирования:


Цыганков Д.Э., Шайхеева Г.Р., Горбачев И.В. Внесение конструкторских данных в проектное решение и их модификация в задачах геометрического моделирования. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2021;(1):85-92. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-1-85-92

For citation:


Tsygankov D.E., Shaykheeva G.R., Gorbachev I.V. Integration of Design Data into a Design Solution and their Modification in Problems of Geometrical Modelling. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2021;(1):85-92. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-1-85-92

Введение

В условиях возрастающей роли информационных технологий (в частности, геометрического моделирования) в производственном процессе системы автоматизированного проектирования (САПР) стали неотъемлемым инструментом инженера для решения технических задач на этапе опытно-конструкторских работ. Результатом внедрения САПР является повышение эффективности накопления, систематизации и унификации проектных решений, что также отражается на качестве их повторного использования [1].

Повторному использованию проектных решений на этапе проектирования посвящено множество работ [2], его актуальность и важность в производственном процессе не вызывает сомнений. Одним из способов повторного использования является модификация – изменение наиболее близкого по конструктивному исполнению проектного решения [3] в рамках, определяемых его функциональным назначением. Такой процесс является типовым [4] для всех современных САПР (при представлении проектных решений в виде электронных 3D-моделей), однако требует временных и трудовых затрат. Дополнительной сложностью является невозможность закладывания смыслового содержания в проектное решение в рамках базового функционала САПР, что приводит к возникновению ошибок в его геометрии и структуре в процессе модификации. Иными словами, отсутствуют механизмы, способные обеспечить сохранение конструктивно-функциональной целостности проектного решения до и после модификации; такой механизм был разработан авторами в рамках собственного подхода.

В качестве примера проектных решений в работе рассматривается класс коаксиальных СВЧ устройств, включающий в свой состав множество различных изделий, таких как соединители, переходы, разъемы, нагрузки и т.д. [5]. Все изделия отличаются конструктивом и назначением, но описываются относительно узкой предметной областью, а также ограниченным перечнем нормативно-технической документации [6], предоставляя широкий творческий простор для конструирования, прежде всего на уровне локальных проектных параметров. Совокупность значений таких проектных параметров определяет конструкцию изделия с различными диапазонами характеристик в плане функциональности, надежности, технологичности и др.

Модифицируемость изделий уровня «Деталь»

Любая проектируемая деталь (как компонент сборочной единицы / узла), отображаясь в САПР в виде 3D-модели, описывается историей ее построения – последовательностью из n проектных операций (ПО), упорядоченных в так называемое дерево построения, имеющее вид <ПО1, ПО2, …, ПОn>. Одна и та же 3D-геометрия может быть построена множеством различных способов, с совпадением или несовпадением состава ПО и их числа n. На рисунке 1 представлены 3D-модель гайки накидной (компонента соединителя коаксиального) и дерево ее построения. Каждый элемент дерева построения содержит ряд параметров (локальных и ассоциативно связанных с другими элементами), управление значениями которых обеспечивает перестраивание результирующего проектного решения.


Рис. 1
. Сформированная 3D-модель детали и дерево ее построения

В качестве САПР в настоящей работе используется «Компас-3D».

Сформированная 3D-модель как проектное решение содержит в себе комплект значений всех конструкторских параметров, при этом содержит их неявно, т.е. разработчик устанавливает ассоциативные связи между своим замыслом и функционалом САПР, используя операции и термины последней без возможности их дальнейшего восстановления. Единственной структурой, способной хранить в себе проектные параметры и их значения, является дерево построения 3D-модели [3].

Основная сложность хранения проектных данных, обладающих конструкторским смыслом, заключается в невозможности их ассоциативности с электронной 3D-моделью в рамках базового функционала САПР. По этой причине авторами разработан подход, заключающийся в представлении 3D-модели изделия системой 3D-макрообъектов, типовых для текущей предметной области, каждый из которых является, по сути, классом параметрически заданных шаблонов и описывается набором конструкторских параметров. В зависимости от значений параметров выбирается (за счет программной реализации и/или ветвлений) актуальный шаблон, формирующий на выходе экземпляр 3D-фрагмента, основным и принципиальным отличием которого является фиксированная конструктивно-функциональная специфика в контексте проектируемого изделия (для заданной предметной области). То есть такой объект уже не является абстрактной геометрией, а обладает конструкторским смыслом [7].

Создание 3D-макрообъектов реализуется структурно-функциональной декомпозицией [8] проектных решений заданной предметной области. Они разделяются по своему типу на конструктивно-функциональную базу (КФБ), задающую основу конструкции будущего изделия, и конструктивно-функциональный фрагмент (КФФ), вносящий вклад в типовое назначение изделия. На рисунке 2 представлено дерево 3D-модели гайки (см. рис. 1) в виде системы 3D-макрообъектов, а также окно ввода значений проектных параметров. Дерево построения содержит одну КФБ и произвольный набор КФФ, а параметры, описывающие КФБ, являются исходными ко всем КФФ.


Рис. 2
. Дерево построения 3D-модели как система типовых макрообъектов

Часть проектных параметров задается вводом значений при наличии таких ограничений, как минимальное, максимальное, недопустимое значения; другая часть – выбором значений из предварительно заданного дискретного ряда. Выделение параметров и последующая установка ассоциативных связей и параметризация на их основе 3D-макрообъекта производятся алгоритмически – в процессе программной реализации. Макрообъект (МкОб) формально представляется в виде МкОб = <прк1, прк2,...пркn, прв1, прв2,...првn>, где прк – входной параметр, обладающий конструкторским смыслом, прв – внутренний параметр, используемый САПР для построения 3D-геометрии, для которого справедлива запись: првi = φ(прк1,...пркn), i = 1—,m.

После учета ограничений на значения входных параметров необходима проверка конструктивно-функциональной целостности, подразумевающей не только выполнение условий на значения каждого параметра прк, но и их совместную корреляцию, исключающую возможность нарушения исходного конструкторского замысла, заложенного в 3D-геометрию. И только после ее подтверждения формируется 3D-макрообъект.

Номинальные значения проектных параметров задаются в процессе формирования 3D-модели на уровне соответствующих макрообъектов. Далее сформированная конструкция модифицируется путем изменения требуемых параметров, при этом все изменения, касающиеся нескольких макрообъектов, выполняются синхронно, тем самым обеспечивается корректность конструкции на уровне геометрии и заложенного конструкторского замысла. На рисунке 3 представлено конфигурирование 3D-модели гайки (см. рис. 1) по значениям выделенных проектных параметров; несмотря на различия конструкций, все детали обобщаются по признаку их функционального назначения. Очевидно, что подобного уровня автоматизации не достичь в рамках базовой параметризации в САПР.


Рис. 3
. Конфигурирование 3D-модели детали по значениям проектных параметров

Модификация проектного решения изменением значений параметров макрообъектов соответствует модульному принципу [9], преимущество которого заключается в унификации типовых элементов, способствуя минимизации временных затрат на формирование нового проектного решения. Модифицируемое проектное решение сохраняет конструктивную корректность (не только геометрии и структуры изделия, но и его смыслового содержания) за счет задаваемой на уровне макрообъекта системы предусловий.

Внесение конструкторских данных в проектное решение на уровне 3D-макрообъекта позволяет перейти от терминов САПР к терминам узкой предметной области.

Модифицируемость изделий уровня «Сборочная единица»

Конфигурирование конструкции деталейкомпонент (см. рис. 3) задает вариативность изделий на уровне сборочных единиц (узлов), определяемую диапазоном требуемых характеристик. На рисунке 4 представлена структура и сборочный чертеж разъема из состава коаксиального соединителя (вилки), состоящего из 5 деталей. Такая 3D-сборка является относительно простой (в плане моделирования) и содержит ~10 сопряжений между компонентами.


Рис. 4
. Дерево построения (структура) сборочной 3D-модели (подсборки).
Обозначения на чертеже: 1 – корпус, 2 – ободок, 3 – прокладка, 4 – кольцо, 5 – гайка; d – резьба внутренняя, D – резьба внешняя, l – длина участка присоединительного (с резьбой внешней)

Вариативность данной сборочной единицы, вызванная различиями в конструкторских параметрах на уровне ее деталей-компонент, представлена на рисунке 5. Как видно, сборки отличаются конфигурациями деталей «Корпус» (поз. 1) и «Гайка» (поз. 5) и имеют различные присоединительные (к ответной части корпуса) размеры. Локальные параметры, такие как «Тип рифления», «Количество торцевых пазов» и др., задаются на уровне соответствующих деталей. Специальные параметры, такие как «Расстояние от гайки до корпуса» и «Длина участки резьбы» (регламентируются согласно стандарту [6]), описывающие непосредственно сборочную единицу (узел), задаются только через ее дерево построения и впоследствии определяют значения локальных параметров деталей-компонент.


Рис. 5
. Конфигурирование сборочной 3D-модели (подсборки)

Важный аспект заключается в сопряжении компонент сборки не к геометрическим, а к структурным элементам друг друга, что позволяет сохранять корректность конструкции при ее повторном использовании (модификации), включающем изменение исходной геометрии, нивелируя потребность в переопределении всех сопряжений заново. Это актуально при высокой сложности проектируемого узла, так как необходимы значительные временные и трудовые затраты на его формирование, а также при изменении структуры компонентов из-за неизбежного нарушения целостности сборки.

Наибольший интерес в плане автоматизации модифицируемости проектных решений вызывают законченные функциональные единицы по причине возможности управления
их конструкцией, используя проектные параметры верхнего уровня. В качестве примера такой единицы рассматривается соединитель коаксиальный – вилка кабельная типа III «Экспертиза» по ГОСТ 20265-83, на рисунке 6 представлена структура его 3D-сборки: она состоит из 2 подсборок и 6 деталей. Стоит напомнить, что каждый из структурных компонентов сборки представляет собой систему 3D-макрообъектов вида Мод3D = ΣМкОб<прк>j, j = 1, n, комплект значений параметров которых определяет экземпляр (конфигурации) проектного решения. Иными словами, дерево построения сборочной 3D-модели есть система ассоциативно взаимосвязанных параметрических 3D-шаблонов, управляемых значениями исходных проектных параметров.


Рис. 6
. Дерево построения (структура) сборочной 3D-модели. Обозначения на чертеже: 1 – разъем (подсборка), 2 – стержень (подсборка), 3 – втулка, 4 – корпус, 5 – цанга, 6 – прокладка, 7 – прижим, 8 – шайба; h – диаметр отверстия под изолятор (оплетку) кабеля, H – диаметр отверстия под внешнюю оболочку кабеля

Данная вилка как конструктивно законченное изделие в соответствии со стандартом [6] описывается такими параметрами, как «Тип соединителя», «Тип разъема», «Марка кабеля» и др., являющимися «верхнеуровневыми», так как описывают не локальную геометрию, а итоговую конструкцию в плане ее функционального назначения. Экземпляр проектного решения в виде сборочной 3D-модели вилки и часть его конструкторских параметров представлены на рисунке 7. Как видно, параметр «Марка кабеля» определяет конструкцию на уровне двух компонент: втулки (поз. 3, размер H) и цанги (поз. 7, размер h), в то время как первые два параметра определяют параметры и структуры практически всех компонент.


Рис. 7
. Проектное решение в виде сборочной 3D-модели

Экземпляры проектных решений, формируемые из единого дерева построения сборочной 3D-модели, отличаясь значениями конструкторских параметров и, как следствие, структурой, обобщаются до уровня класса семантического подобия, т.е. подобия по конструктивному исполнению и функциональному назначению. Унификация и систематизация проектных решений на основе такого уровня подобия является верхним уровнем абстракции и не реализуется в стандартном функционале САПР.

Сформированное проектное решение в виде сборочной 3D-модели функционального узла впоследствии предоставляет возможность для автоматизированной генерации отдельных 2D-фрагментов, компилирующих информационные образы типовых 3D-макрообъектов с отображением исполнительных размеров, позиционных обозначений и иной информации, которые после ручной доработки представляют собой полноценный конструкторский документ, соответствующий ЕСКД.

Заключение

Конфигурирование сборочных 3D-моделей узлов по функциональным параметрам в рамках единого класса позволяет повысить эффективность автоматизации при повторном использовании проектных решений в задачах геометрического моделирования за счет сохранения заложенного в исходное решение конструкторского замысла [10]. Устранение ошибок в 3D-геометрии и, как следствие, необходимости ее перестраивания позволяют значительно снизить временные и трудовые затраты на формирование проектного решения путем модификации.

Сохранение конструктивно-функциональной целостности проектных решений в процессе модификации позволяет создавать библиотеки унифицированных объектов различного уровня с широким диапазоном вариативности. Такие библиотеки закрепляются за конструкторскими секторами, специализирующимися на узкой предметной области.

Внесение конструкторских данных в проектное решение и последующая модификация их значений на примере класса коаксиальных СВЧ устройств реализуются разработанным комплексом программных средств [11], выполненным в виде надстройки к САПР «Компас-3D». Дальнейшее развитие предлагаемого подхода связано с интеграцией с CAEсистемой для возможности конфигурирования конструкции изделия по итогам электромагнитного расчета для получения требуемых параметров.

Список литературы

1. Войт Н. Н., Кириллов С. Ю., Бригаднов С. И., Уханова М. Е. и др. Разработка метода формирования библиотек экземпляров проектных решений на базе онтологии для применения концепции повторного использования на производстве // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2020. Т. 18, № 1. С. 27–36.

2. Ларссон Я. Важность повторного использования проектных решений // САПР и графика. 2014. № 2 (208). С. 70–73. URL: https://sapr.ru/

3. article/24386 (дата обращения: 30.10.2020).

4. Цыганков Д. Э., Шайхеева Г. Р. Автоматизация модификации механических узлов в CAD-системе // Автоматизированное проектирование в машиностроении: материалы VII Международной научно-практической конференции. Новокузнецк: НИЦ МС, 2019. № 7. С. 93–97.

5. Федоров В. К., Гужевкин К. С., Гвоздарев Р. С. Разработка модификаций базовых моделей изделий РЭС методом внесения изменений в конструкцию аналога // Качество. Инновации. Образование. 2012. № 4 (83). С. 61–63.

6. Джуринский К. Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. М.: Техносфера, 2006. 216 с.

7. ГОСТ 20263-83. Соединители радиочастотные коаксиальные. Присоединительные размеры. М.: Издательство стандартов, 1984. 12 с.

8. Цыганков Д. Э. Методы и средства конструктивно-функционального проектирования механических узлов радиотехнических изделий на основе процессной модели проектной де- ятельности: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12. Ульян. гос. техн. ун-т. Ульяновск, 2018. 248 с.

9. Цыганков Д. Э., Похилько А. Ф. Представление проектируемого изделия системой структурно-функциональных элементов // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радио- технических систем: сборник научных трудов. Ульяновск: УлГТУ, 2016. С. 250–252.

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

11. Цыганков Д. Э. Технология структурно-семантического 3D-моделирования в комплекс- ном процессе конструирования // Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей». 2017. № 4. С. 91–97.

12. Свидетельство № 2019666872. Модуль проектирования соединителей радиочастотных коаксиальных типа III «Экспертиза» по ГОСТ 20265-83: свидетельство о гос. рег. программы для ЭВМ / Д. Э. Цыганков, М. Г. Царев, Г. Р. Шайхеева; заявит. и правообл. Ульян. гос. техн. ун-т. № 2019665973; заявл. 06.12.2019; зарегистр. 16.12.2019; опубл. 16.12.2019, Бюл. № 12. 1 с.


Об авторах

Д. Э. Цыганков
Акционерное общество «Ульяновский механический завод»
Россия

Цыганков Денис Эдуардович – кандидат технических наук, инженер-конструктор 1-й категории лаборатории приемных устройств особого конструкторского бюро. Область научных интересов: методы автоматизации конструкторской деятельности, моделирование и проектирование СВЧ-устройств микрополоскового и коаксиального исполнений.

Ульяновск, Российская Федерация



Г. Р. Шайхеева
Акционерное общество «Ульяновский механический завод»
Россия

Шайхеева Гюзель Ринатовна – инженер-конструктор лаборатории приемных устройств особого конструкторского бюро. Область научных интересов: средства геометрического моделирования в процессе проектирования, схемотехническое моделирование радиоэлектронных СВЧ-устройств.

Ульяновск, Российская Федерация



И. В. Горбачев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский государственный технический университет»
Россия

Горбачев Иван Владимирович – кандидат технических наук, доцент, начальник учебного управления. Область научных интересов: системы автоматизированного проектирования, интеллектуализация управления производственными процессами, основанная на знаниях.

Ульяновск, Российская Федерация



Для цитирования:


Цыганков Д.Э., Шайхеева Г.Р., Горбачев И.В. Внесение конструкторских данных в проектное решение и их модификация в задачах геометрического моделирования. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2021;(1):85-92. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-1-85-92

For citation:


Tsygankov D.E., Shaykheeva G.R., Gorbachev I.V. Integration of Design Data into a Design Solution and their Modification in Problems of Geometrical Modelling. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2021;(1):85-92. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-1-85-92

Просмотров: 133


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


ISSN 2542-0542 (Print)