Принципы многоуровневой параметризации при формировании объектов 05. 13. 12 "Системы автоматизации проектирования в машиностроении (технические науки)"

Вид материала

Содержание

Попов Евгений Владимирович
Ведущая организация
Общая характеристика работы
Цель исследования
Научная новизна
Практическая ценность
Апробация работы
Основное содержание работы
Σp=пп+(пф+пв)-гу (2)
Σp= σpг+σpнг=(пп+(пф+пв)-гу)+(пнг-нгу) (3)
Unlocked параметры
Основные выводы
Содержание диссертации отражено в следующих работах

Подобный материал:

На правах рукописи

Ермаков Евгений Сергеевич

Принципы многоуровневой параметризации при формировании объектов

05.13.12

“Системы автоматизации проектирования в машиностроении (технические науки)”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2008 г.

Р

абота выполнена В НижегородскоМ государственноМ архитектурно – строительноМ университетЕ

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Попов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кетков Юлий Лазаревич,

доктор технических наук, профессор Кучуганов Валерий Никонорович.

Ведущая организация

ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение» - ОАО «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ ИМЕНИ В.В.БАХИРЕВА»

Защита диссертации состоится «06» июня 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.01 при Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.48-а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Автореферат разослан «25» апреля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Щенятский А. В.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования

Одним из направлений повышения эффективности промышленного сектора экономики является применение современных информационных технологий для информационной интеграции процессов, протекающих в ходе всего жизненного цикла продукта и его компонентов. Жизненный цикл (ЖЦ) продукта, как его определяет стандарт ISO 9004-1, - это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта. В настоящее время свыше 95% современных предприятий большого и среднего бизнеса, а также более 99% предприятий малого бизнеса, создающих как простые (посуда, мебель, бытовая техника и т.п.), так и очень сложные (автомобили, самолеты, суда) изделия, в практике проектирования и производства применяют CALS-технологии с целью сокращения сроков проведения работ на производственной стадии жизненного цикла изделия.

Однако, несмотря на многообразие и развитость существующих систем и методов проектирования и инженерного анализа, используемых в CALS-технологиях на производственной стадии жизненного цикла, существует ряд проблем и направлений, требующих либо кардинального разрешения, либо поиска новых решений, позволяющих достигать цели более экономичными с точки зрения компьютерных ресурсов и машинного времени средствами. Процесс проектирования любого принципиально нового изделия, не имеющего аналогов, является процессом творческим, и большинство разработанных методик в этой области могут носить лишь рекомендательный характер. Однако даже в этом случае применение информационных и CALS-технологий в максимальной степени служит избавлению проектировщика от операций, хорошо поддающихся автоматизации. Возникает иная ситуация, если процесс разработки нового изделия осуществляется в рамках уже существующей концепции. Зачастую разработки именно такого рода изделий являются наиболее актуальной задачей. При этом, как правило, ставится задача разработать полный комплект конструкторской документации и определить стоимость изделия, сконструированного по известному прототипу, но с некоторыми изменениями. В данном случае главным критерием является быстрота разработки. Изделие нужно разработать в максимально короткие сроки, в противном случае изделие может стать невостребованным. Решение данной задачи в рамках процесса проектирования возможно путем разработки последовательности определенных действий, то есть алгоритма, по окончании выполнения которого будет сформировано готовое изделие. Такой подход не позволяет спроектировать полностью новое изделие, однако данная задача при проектировании и производстве большинства изделий, как правило, и не ставится. Подобный алгоритм представляет собой набор функций, в которых на вход каждой последующей функции поступают значения, полученные при выполнении предыдущих. Однако недостатком такого подхода является достаточно большое число алгоритмических функций, позволяющих конструировать изделие.

В настоящее время весьма актуальным является создание универсального алгоритма, позволяющего упростить разработку конкретного изделия любой сложности при помощи методов последовательного уточнения функциональных характеристик требуемого изделия. Данную проблему позволяет решить бурно развивающаяся в последние десятилетия теория фракталов. Основой теории фракталов, берущей свое начало с работ Бенуа Мандельброта является самоподобие природных структур на всех уровнях их существования. Согласно данному представлению, свойства всех объектов, имеющих фрактальную природу, рекурсивно подобны сами себе. Это свойство позволяет однозначно выделять на каждом уровне только существенные свойства, что значительно упрощает подход к созданию подобных алгоритмов. Другими словами, становится возможным создание рекурсивного алгоритма, позволяющего при помощи методов фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью и заранее определенными характеристиками. Иначе говоря, проблема сводится к формированию ограниченного набора самых «верхних» входных данных, от численного значения которых зависит конструкция изделия и степень детализации при его проектировании. Подобный универсальный алгоритм будем называть прототипом объекта.

Использование прототипа позволяет проектировать конкретное изделие максимально быстро, в особенности при реализации алгоритма на базе ЭВМ. Однако при непосредственном его использовании одной из главных проблем является трудность выделения необходимого и достаточного числа существенных свойств изделия на каждом рассматриваемом уровне. В данной работе под параметрами будем понимать признаки, однозначно выделяющие объект среди множества ему подобных. В отличие от подходов к пониманию параметров и процесса параметризации, описанных в работах отечественных ученых в области параметризации (Н. Ф. Четверухин, И. И. Котов, В. С. Полозов и др.), мы под параметрами будем понимать не только геометрические величины, определяющие исключительно форму и положение изделия. Под параметрами в данной работе понимаются величины любой природы, значения которых позволяют определить как геометрические, так и функциональные характеристики изделия. Параметры выступают в качестве входных данных к прототипу объекта. В настоящее время не существует единых подходов к определению необходимого числа параметров любой природы, поэтому данная задача решается в основном эмпирическим путем. Слишком малое число параметров существенно сокращает диапазон возможных функциональных характеристик изделий, которые можно заложить в проект и рассчитать. Слишком большое количество параметров чревато усложнением самого процесса проектирования. Также к недостаткам существующих методов (методов, не основанных на параметрическом представлении объекта, либо имеющих в своей основе только геометрическую параметризацию) относится отсутствие параметрического взаимоподчинения деталей в рамках узла или сборочной единицы, делающих невозможным гибкое его проектирование и использование рекурсивного фрактального алгоритма. Указанные недостатки зачастую не позволяют добиться желаемого результата – быстрой разработки и проектирования изделия.

Таким образом, задачу создания механизма, позволяющего быстро спроектировать изделие, можно поставить следующим образом: разработать принцип выделения и структурирования параметров прототипов. Данный принцип делает возможным создание универсального фрактального алгоритма, позволяющего на основании разработанной иерархической структуры изделия и иерархической структуры параметров деталей и узлов, составляющих изделие, упростить разработку изделия любой сложности при помощи методов последовательного уточнения его функциональных характеристик. Поставленная задача чрезвычайно востребована в таких прикладных областях, как проектирование элементов строительных конструкций, судостроении, машиностроении и пр. Решение поставленных задач является актуальным, так как большинство существующих систем, использующих понятие параметрический объект, обладают существенными недостатками.

Цель исследования

Целью исследования является разработка методов хранения параметров прототипа и проектирования изделия на основе его структуры и ограниченного числа входных данных.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

Выделить способы проектирования, требующие развития и адаптации для использования в задаче многоуровневой параметризации на основе анализа существующих методов разработки конкретных параметрических изделий.
Определить необходимое и достаточное число параметров, используемых при проектировании изделия.
Разработать способ хранения и представления иерархической структуры изделия.
Разработать способы хранения и задания параметров изделия любой сложности.
Разработать универсальный рекурсивный алгоритм построения изделия, позволяющий при помощи фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью и заранее установленными характеристиками.
Продемонстрировать эффективность разработанного компьютерного инструментария для решения практических задач проектирования изделия.

Научная новизна

Научная новизна исследования состоит в следующем:

Разработан принцип многоуровневой параметризации и репараметризации объектов на основе представления изделия любой сложности в форме фрактальной структуры.
Предложено описание, структура и способ хранения иерархических древовидных параметрических объектов и их параметров.
Разработан универсальный алгоритм построения изделия, позволяющий при помощи фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью, учитывающий его структуру и базирующийся на его параметрах.
Доказана применимость данного подхода и его эффективность по сравнению с другими способами работы с параметрическими объектами при построении различных объектов, имеющих сложную взаимоподчиненную структуру.
Разработан программный продукт, использующий описанный алгоритм, для решения практических задач проектирования.

Практическая ценность

Практическая ценность исследования заключается в разработке простых быстродействующих алгоритмов и компьютерных процедур, реализующих возможности универсального алгоритма многоуровневой параметризации и репараметризации для конструирования объектов на основании данных о его (элемента) иерархической структуре и описывающих его параметрах. На базе созданных алгоритмов и компьютерных процедур разработаны САПР К3, специализированные системы «К3-Мебель ПКМ» (проектирование корпусной мебели), «К3 – Коттедж» (проектирование зданий и сооружений из оцилиндрованного бревна и профилированного бруса). Системы являются законченными коммерческими программными продуктами, используемыми отечественными и зарубежными конструкторами и технологами (Белоруссии, Украины, Казахстана и пр.) и предприятиями.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы представлялись на международной конференции «Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении» (г. Ижевск, 2006 г.), на Международной конференции по компьютерной графике и визуализации «ГРАФИКОН-2006» (г. Новосибирск, 2006 г.), Втором международном евразийском симпозиуме Екатеринбург, 2007. Разработанное программное обеспечение демонстрировалось на Международных выставках в Москве, в Перми, в Чебоксарах, Екатеринбурге и других городах (2003 – 2008 годы).

На защиту выносятся следующие положения

Описание структуры объекта любой сложности в виде иерархического дерева
Описание объектов нижнего уровня с заданными ограничениями и конечным числом параметров, определяемым объектами верхних уровней
Универсальный рекурсивный алгоритм, позволяющий при помощи методов фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью, учитывающий его структуру и базирующийся на его параметрах
Система проектирования, использующая принципы многоуровневой параметризации и репараметризации, и обладающая преимуществами по сравнению с аналогами.

Диссертация содержит 151 страницу, 33 иллюстрации, 43 таблицы, 4 приложения. Приложения содержат 24 страницы. Список литературы содержит 85 наименований. По данной диссертационной работе опубликовано 7 трудов.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается значимость и актуальность выбранной научной темы, формулируется научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассматриваются и анализируются существующие методы проектирования. Рассматриваются достоинства и недостатки различных подходов к проектированию изделия. Особенно выделяется параметрическое проектирование. Прослежена хронология методов плоского и трехмерного геометрического проектирования. Рассмотрены некоторые САПР, позволяющие упростить или ускорить процесс проектирования. Особенно выделены ряд САПР, позволяющих осуществлять параметрическое проектирование.

Также в этой главе рассмотрен ряд подходов к определению параметра и параметрического проектирования. Отмечено, что чисто геометрическое понятие параметра не позволяет спроектировать изделия, исходя из его функционального назначения. Также выделен ряд проблем, которые накладывают определенные ограничения на использование параметрических чертежей в явном виде:

Большое разнообразие графических элементов, составляющих чертеж, множество способов и произвольность порядка построения элементов.
Задание геометрических параметров графических элементов в различных координатных системах.
Неявность задания геометрических параметров большинства графических примитивов, в том числе использование многовидовых чертежей с распределением по отдельным видам обозначений, задающих форму объекта.
Возможное изменение состава графических примитивов, образующих чертеж, при значительных изменениях параметров.

В данной диссертационной работе под параметрами будем подразумевать ряд величин, однозначно выделяющих данный объект среди множества ему подобных не только по форме, но и по функциональному содержанию. Поскольку при таком подходе отсутствуют однозначные способы определения необходимого и достаточного числа параметров, в работе считается целесообразным сформировать иерархическое дерево объекта и параметров, на каждом уровне которого параметры оказывают определяющее влияние на элементы нижних уровней дерева, а параметры нижнего уровня могут зависеть от параметров более высокого уровня иерархии.

Параметрический объект – объект, полностью определяемый ограниченным числом параметров среди класса ему подобных объектов.

Соответственно, параметризация (параметрическое моделирование) – процесс проектирования параметрического объекта, полностью определяемого ограниченным числом параметров.

Объект проектирования здесь представляет единое, целостное, корректно построенное изделие. Объект этот полностью описывается конечным числом параметров, которые влияют на параметры каждого из его подобъектов. Изменение любого из параметров изделия приводит к изменению соответствующих параметров составных элементов на основании заранее определенных геометрических и негеометрических условий. Заданные на этапе создания параметрического объекта области существования параметров, выполняют функцию «электронного контролера» целостности и адекватности всего изделия.

Во второй главе определяются недостатки существующих методов параметрического проектирования изделия, и описывается метод их устранения. Предложенный подход заключается в формировании многоуровневой иерархической структуры изделия и параметров всего изделия, а также каждого элемента или сборочного узла в рамках изделия. Также описывается универсальный алгоритм, дающий возможность упростить разработку изделия любой сложности при помощи методов последовательного уточнения функциональных характеристик требуемого конкретного изделия.

Как упоминалось, параметрическое моделирование позволяет алгоритмизировать, а следовательно, ускорить процесс проектирования и производства конкретного изделия. Для успешного решения задач параметризации необходимо решить задачу определения необходимого и достаточного числа параметров, однозначно описывающих элемент изделия или сборочного узла. Анализируются подходы ряда ученых к решению этой задачи. Отмечается, что целесообразно различать внутреннюю и внешнюю параметризацию.

Параметры, выделяющие фигуру, независимо от ее положения в пространстве, характеризуют ее форму, и поэтому называются параметрами формы. Параметры, выбранные при внешней параметризации, называются параметрами положения.

Число, выражающее сумму параметров формы и положения, называют параметрическим числом фигуры.

Таким образом, общее число параметров равняется сумме параметров формы и параметров положения.

E=P+Q (1)

Где E – общее число параметров,

P – число параметров формы,

Q – число параметров положения.

Считается, что для однозначного выделения единственной фигуры требуется конечное число параметров. Это число можно условно записать в следующей форме:

ΣP=ПП+(ПФ+ПВ)-ГУ (2)

Где ΣP – необходимое и достаточное число параметров для определения фигуры,

ПП – параметры, определяющие положение любой фигуры в пространстве относительно выбранной системы координат,

ПФ – параметры, позволяющие из множества фигур выделить фигуры одной формы,

ПВ – параметры, позволяющие из множества фигур одной формы выделить фигуры одной величины,

ГУ – число геометрических условий, определяемых соотношениями фигур и уменьшающих число параметров. Существует всего пять геометрических условий: инцидентность, перпендикулярность, параллельность, симметрия, сопряжение.

Но для полноценного описания объектов только геометрических параметров недостаточно. Расширим приведенные выше формулы негеометрическими параметрами.

ΣP= ΣPГ+ΣPНГ=(ПП+(ПФ+ПВ)-ГУ)+(ПНГ-НГУ) (3)

где ΣPГ – число геометрических параметров;

ΣPНГ – число негеометрических параметров;

ПНГ – негеометрические параметры;

НГУ – негеометрические условия.

Негеометрическими параметрами могут служить величины, влияющие на конструкцию изделия (материал, обработка и пр.), величины, определяющие свойства конечного изделия (масса, цвет и пр.), которые задают критерии, которым проектируемое изделие должно удовлетворять. В общем случае, это могут быть и экономические показатели, задающие стоимость конечного изделия; требования к технологическому процессу, причем эти требования, как и другие параметры могут корректироваться в процессе проектирования изделия.

Поскольку негеометрические параметры могут иметь самую различную природу, то их число невозможно определить точно. Можно лишь выделить существенные параметры, принципиально влияющие на конструкцию изделия, и несущественные, которыми можно пренебречь. Решением представляется компромисс между необходимым и достаточным числом параметров с одной стороны, и выделением фрактальных уровней, определяющих область влияния параметров с другой.

При постановке задачи проектирования конкретного изделия задаются критерии, которым это изделия должно удовлетворять. Задается конечное число существенных свойств – тех свойств, которые имеют принципиальное значение. Но любой объект в природе имеет сложную структуру. Свойства, не существенные для цельного объекта, уже могут иметь принципиальное значение для одного или нескольких подобъектов.

Чем более детально рассматривается изделие в процессе проектирования, тем большее количество новых свойств начинает представлять принципиальный интерес. При этом часть свойств может утратить свою важность. Любой объект проектирования представляется фрактальным объектом с ковариантным самоподобием - бесконечно сложным и несущим в себе информацию, частично унаследованную с более высокого уровня, частично - свою собственную, характеризующую именно его.

Решением здесь может стать возможность представить объект в виде иерархической древовидной структуры, каждый элемент которой определяется своими параметрами, задающими область существования параметров элементов нижних уровней, параметры которых, в свою очередь оказывают корректирующее влияние на параметры всего изделия.

Итак, под многоуровневой параметризацией будем понимать параметризацию объекта, имеющего иерархическую древовидную структуру, в рамках которой каждый элемент описывается определенным числом параметров, а геометрические и негеометрические условия, задаваемые при объединении элементов в узел или сборочную единиц, позволяют формировать набор параметров данного узла или сборочной единицы.

Данный подход позволяет избавиться от ряда недостатков простой (одноуровневой) параметризации, а именно:

Сократить сложное влияние параметров объекта на область существования других параметров того же объекта;
Уменьшить число параметров изделия, ограничив «сферу их влияния»;
Разработать универсальный алгоритм, позволяющий упростить разработку изделия любой сложности при помощи методов последовательного уточнения функциональных характеристик требуемого изделия.

Как видно из формул (2) и (3), сократить число параметров позволяет учет геометрических и негеометрических условий.

Чем более сложное изделие проектируется, тем больше геометрических и негеометрических условий на него накладывается. Это сокращает число описывающих его параметров. Наложение геометрических и негеометрических условий объединяет разрозненные элементы в цельное изделие. Также при проектировании сложного изделия, часть параметров его элементов не оказывает влияния на изделие в целом, а, следовательно, не является его параметрами.

При проектировании изделия возникает необходимость изменить параметры не всего изделия, а только одного или нескольких его элементов. В этом случае необходимо отредактировать параметры элемента, дав возможность абстрагироваться от элемента, как составной части изделия. Иначе говоря, снять геометрические и негеометрические условия, объединяющие элементы в изделие. Этот процесс будем называть депараметризацией.

Итак, депараметризация – это процесс снятия геометрических и негеометрических условий, объединяющих элементы в цельное изделие, и позволяющий производить работу с элементами как с самостоятельными объектами.

Тем не менее, следует заметить, что при изменении параметров элементов само конечное изделие не должно разрушаться. Параметры этого изделия должны корректироваться в соответствии с изменением параметров его элементов, то есть, необходима возможность возврата от редактирования элементов внутри изделия к редактированию всего изделия. А именно процесс наложения измененных условий. Такой процесс будем называть репараметризацией.

Репараметризация – это процесс корректировки и наложения снятых при депараметризации условий, объединяющих элементы или сборочные единицы в цельное изделие с последующей возможностью изменения параметров изделия.

Для реализации принципов депараметризации и репараметризации, а также для возможности создания универсального алгоритма, позволяющего упростить разработку изделия любой сложности при помощи методов последовательного уточнения функциональных характеристик требуемого изделия, необходимо создание структуры параметров.

Нам необходимо указать, какие параметры элементов нижнего уровня могут оказывать влияние на объект более высокого уровня, а какие - нет. Параметры, оказывающие такое влияние (транслируемые «сверху вниз») будем называть public параметрами. Все остальные параметры – private параметрами.

Итак, public параметры – это параметры элементов нижних уровней, на которые оказывают влияние параметры объекта верхнего уровня.

Private параметры – это индивидуальные параметры элемента, на которые объект верхнего уровня влияния не оказывает.

При депараметризации геометрические и негеометрические условия, позволяющие собрать элементы в единое изделие, снимаются. В этом процессе все public параметры не оказывают влияния на изделие. При репараметризации эти условия вновь устанавливаются, однако необходимо зафиксировать изменение public параметров с целью исключить влияние на них параметров объектов верхних уровней. (Эти параметры непосредственно изменил конструктор, а его слово – закон!) Таким образом, public параметры делятся, в свою очередь, на те, которые могут испытывать влияние параметров объекта верхнего уровня (unlocked параметры), и те, значения которых изменил конструктор, скорректировав геометрические и негеометрические условия (locked параметры).

Итак, locked параметры – это public параметры, значение которых скорректировано конструктором с целью задания новых геометрических и негеометрических условий при репараметризации.

Unlocked параметры – это параметры, которые не были затронуты в процессах депараметризации и репараметризации и на которые оказывают влияние параметры объекта верхнего уровня.

Статус public параметра (locked – unlocked) может быть изменен конструктором в любой момент с целью восстановить влияние параметров объекта верхнего уровня.

Рис. 1 Иерархия типов параметров

Схематическое изображение структуры параметров представлено на рис. 1.

Подобный подход делает возможным создание универсального алгоритма построения изделия.

При достижении требуемой точности проектирования изделия алгоритм вызывает одну из функций, написанных по определенным правилам, осуществляющих геометрическое построение терминального элемента в одной из САПР. Терминальными элементами могут быть элементы крепежа (болты, гайки и пр.), строительные элементы (кирпичи, бревна и пр.), листовые материалы (листы жести, ДСП и пр.). Такую функцию будем называть функцией реализации.

Количество и назначение функций реализации зависит от области машиностроения, судостроения, строительства и пр., в которых осуществляется проектирование. Алгоритм же является универсальным инструментом и не зависит от области проектирования и назначения функций реализации.

На рис. 2 приведена блок-схема описанного алгоритма. Как видно из рисунка, рекурсивный вызов алгоритма завершается каждый раз при обнаружении терминального элемента. При этом идет постоянное уточнение характеристик объекта за счет увеличения числа параметров составляющих его элементов.

Также особенностью данного алгоритма является то, что алгоритм может быть запущен для любого узла сколь угодно сложного объекта. При этом элемент, с точки зрения его функциональной реализации, остается подобен целому объекту. Цельный объект представляет собой функциональный фрактал, что, в свою очередь, за счет свойств фрактальных объектов уменьшает разного рода затраты, связанные с его проектированием.

Другой особенностью алгоритма является возможность элементов нижних уровней влиять на параметры элементов верхних уровней: по мере проектирования объекта идет постоянное уточнение его функциональных характеристик.

Рис. 2 Блок-схема универсального алгоритма

В третьей главе в описаны примеры использование разработанных подходов в промышленности.

П

Рис. 3 Схематичное изображение прототипа объекта

оскольку прототип отдельного объекты проектирования представляет собой дерево следующего вида (рис. 3), где узлы представляют элементы проектирования, прямые стрелки определение параметров подобъектов, а изогнутые – уточнение параметров сборочных единиц исходя из параметров объектов, то достоинством предложенного подхода является возможность использовать все известные алгоритмы работы с графами.

Д

Рис. 4. Прототипы двух объектов

ругой особенностью является возможность использования «поддеревьев» одного прототипа в качестве «поддерева» другого прототипа (рис. 4).

На рис. 4 дополнительные узлы представляют элементы второго изделия, использующие элементы первого. В качестве примера такого использования можно привести расчет подшипников для ведущего и ведомого вала редуктора, либо расчет болтового соединения для различных элементов конструкции изделия. Таким образом, в процессе проектирования происходит постоянный поиск дерева прототипа в зависимости от вершины этого дерева. При этом прямые ребра задают жесткую последовательность поиска в графе, а обратные – постоянно корректируются в зависимости от конкретного прототипа.

Также особенность разработанных подходов является возможность сократить затраты, связанные с проектированием, поскольку во всей совокупности прототипов проектирования (графе) выделяются области (деревья), которые уже участвовали в проектировании, и нет необходимости всякий раз, осуществлять работу с ними. Достаточно продублировать полученные результаты и использовать их в проектировании другого элемента.

Как было отмечено ранее, существенным недостатком имеющихся САПР является либо полное отсутствие параметризации, либо сложность создания и работы с параметрическими объектами.

Задача многоуровневой параметризации и репараметризации может быть разделена на следующие составляющие:

работа с негеометрическими параметрами;
работа с параметрами формы и величины;
работа с параметрами положения;
наложение и снятие геометрических и негеометрических условий.

Поскольку информация о взаимоподчинении элементов и сборочных узлов, не является индивидуальной для каждого объекта, она должна храниться отдельно, в специально разработанной базе данных.

Одни и те же элементы более низких уровней могут использоваться разными объектами более высоких уровней. Так достигается экономия ресурсов ЭВМ для хранения информации об объектах.

Таким образом, хотя каждый из объектов имеет древовидную структуру, вся совокупность параметрических объектов представляет собой граф, из которого вычленить отдельное дерево объектов (см. рис. 3 - 6) можно только однозначно задав его корень.

Рис 5. Упрощенная структура клиноременной передачи

Рис 6. Упрощенная структура цепной передачи

На рис. 6 представлена схема цепной передачи. Из рисунков видно, что структура передач (рис. 5 и рис. 6) очень похожа с точностью до параметров. Именно за счет этого и достигается упрощение и ускорение процесса проектирования.

В четвертой главе речь идет о реализации принципов многоуровневой параметризации и репараметризации объектов в рамках одной из существующих САПР, позволяющих осуществить описанный принцип.

Очевидно, что способов такой реализации может быть несколько. Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки. Выбор сделан в пользу табличного способа реализации.

Механизм многоуровневой параметризации и репараметризации объектов на данный момент реализован в одной из САПР – К3. В рамках данной САПР описываемый механизм имеет название «Библиотека шаблонов типовых составов».

Также в четвертой главе описаны наборы параметров, необходимых для проектирования клиноременной и цепной передач, на примере показаны свойства многоуровневой параметризации, за счет которых достигается упрощение и ускорение процесса проектирования.

Механизм шаблона типовых составов – инструмент, предназначенный для создания сложных многоуровневых объектов, имеющих древовидную структуру. При помощи данного инструмента можно создавать шаблон многоуровневого древовидного объекта, Также инструмент позволяет на основании полученного шаблона создавать конкретные экземпляры изделий, редактировать как весь экземпляр объекта, так и любое поддерево экземпляра объекта с сохранением измененных параметров. (депараметризация и репараметризация).

В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационного исследования.

Приложение 1 содержит Акты внедрения результатов работы.

Приложение 2 содержит тексты функций реализации объектов в системе К3.

Приложение 3 содержит дипломы выставок, где демонстрировалось программное обеспечение, использующее разработанные принципы.

Приложение 4 содержит примеры проектов строительных конструкций, созданных при помощи программного обеспечения, использующего описанные подходы.

Основные выводы

Анализ методов автоматизированного проектирования выявил наличие недостатков, связанных либо с трудоемкостью проектирования, либо с наличием жестких рамок при проектировании. Это, в первую очередь, связано с отсутствием универсального механизма параметрического проектирования. На основе анализа сделан вывод о необходимости разработки такого механизма.
Исследование сложных многоуровневых моделей изделий выявило фрактальные закономерности в их структуре, выражающиеся в принципиальном подобии свойств на всех уровнях. Для повышения качества проектирования подобных объектов необходима разработка механизма параметризации, основанного на представлении объекта в виде многоуровневой иерархической модели.
На основе известной теории геометрической параметризации выявлены схожие закономерности для негеометрических параметров и разработан общий подход к параметризации объектов.
Разработан механизм многоуровневой параметризации и репараметризации объектов любой сложности.
Разработан универсальный алгоритм, позволяющий упростить разработку конкретного изделия любой степени детализации с заданными характеристиками при помощи методов последовательного уточнения функциональных характеристик требуемого изделия. Таким образом, разработан рекурсивный алгоритм, позволяющий при помощи методов фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью и заранее определенными характеристиками.
Разработанный алгоритм реализован на языке программирования C++ и языке макропрограммирования системы К3.
Разработана концепция и описан механизм многоуровневой иерархической структуры сложного объекта, делающие возможным использование механизмов многоуровневой параметризации и репараметризации любых объектов любого назначения.
Поскольку реализация данной концепции должна удовлетворять следующим условиям:
- простота создания дерева объектов и дерева параметров;
- простота редактирования структуры параметров;
- отсутствие специфических для какой-либо отрасли способов хранения информации о параметрах,

было принято решение о реализации данной концепции посредством реляционной базы данных.

Разработанные методы создания многоуровневых параметрических моделей позволяют максимально быстро и максимально гибко создавать практически любое изделие с заранее заданной точностью детализации и заранее определенными характеристиками.
Применительно к системе проектирования мебели К3 разработан способ проектирования и хранения информации о стандартных изделиях, построенных при помощи данной модели.

Содержание диссертации отражено в следующих работах

Ермаков Е. С. Использование принципа многоуровневой параметризации при формировании моделей элементов мебели [Текст] / Е. С. Ермаков, Е.В. Попов // Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении (в рамках научно-технического форума с международным участием «Высокие технологии-2005»: Матер. науч.-техн. конф. - Ижевск 2005. с. 108
Ермаков, Е. С. Репараметризация объектов в системе проектирования мебели «К3-Мебель ПКМ» вер. 5.5 [Текст] / Е. С. Ермаков, Е. В. Попов // Интеллектуальные системы в производстве. период. науч.-практ. журн. 2005 г. № 2 – Ижевск: изд-во ИжГТУ, с 87-92
Ермаков, Е. С. Обзор наиболее популярных CAD систем автоматизированного проектирования мебели [Текст] / Е. С. Ермаков // Технические науки: Сб. тр. аспирантов и магистрантов.– Н. Новгород: ННГАСУ, 2006., с. 208 - 210
Ермаков, Е. С. Высокоуровневая иерархическая модель элементов мебельного интерьера на примере дверных систем [Текст] Е. С. Ермаков, Е. В. Попов // 16-я международная конференция по компьютерной графике и ее приложениям. Институт вычислительной математики и математической геофизики «Графикон 2006» СО РАН Новосибирск 2006 г., с. 324 – 328
Ермаков, Е. С. Особенности применения CALS технологий в мебельном производстве [Текст] / Е. С. Ермаков // Технические науки: Сб. тр. аспирантов и магистрантов.– Н. Новгород: ННГАСУ, 2005., с. 187 – 190
Ермаков, Е. С. Особенности построения и расчета параметрических дверных систем на базе программного комплекса «К3-Мебель ПКМ» / Е. С. Ермаков, Е. В. Попов, С. В. Митин // Вестник ИжГТУ; период. науч.-теор. журн. ИжГТУ. 2006 г №2. – Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2006 г. с 34-36.
Ермаков, Е. С. САПР «К3 – Коттедж» - предложение, подсказанное спросом / Е. С. Ермаков, С. Е. Лабутин // Труды II международного евразийского симпозиума «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» Екатеринбург, 2007, с. 159 - 163

Р №020823 от 21.09.98

Подписано к печати __.__.2007г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная

О

бъем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № ___________

Нижегородский государственный архитектурно–строительный университет, 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65.

П

олиграфцентр ННГАСУ, 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65.

Blog