Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи автоматизации эскизного проектирования прототипных объектов 11
1.1. Особенности автоматизированного проектирования мебели 11
1.2. Анализ САПР мебельных изделий 18
1.3. Эскизное проектирование и его место в концепции безошибочного проектирования 28
1.4. Постановка задачи автоматизации эскизного проектирования 35
1.5. Заключение по главе 1 41
Глава 2. Функциональные модели эскизного проектирования 43
2.1. Способы синтеза изделий 43
2.2. Модель прототипного объекта корпусного мебельного изделия .. 46
2.3. Модель эскизного представления узла сопряжения 52
2.4. Классификация и модели конструкторско-технологических требований и ограничений 64
2.5. Функциональность инструментальных средств автоматизации эскизного проектирования 73
2.6. Заключение по главе 2 78
Глава 3. Разработка алгоритмов генерации моделей эскизного проектирования 80
3.1. Уровни абстрагирования объектных моделей 80
3.2. Алгоритм генерации объектной модели мебельного изделия 84
3.3. Проектирование базы данных КТТО 94
3.4. Структура базы данных КТТО 104
3.5. Заключение по главе 3 108
Глава 4. Практическая реализация и результаты исследования 109
4.1. Технологии программирования 109
4.2. Структура подсистемы автоматизациии эскизного проектирования 112
4.3. Организация интерфейса инструментальных средств 120
4.4. Оценка результатов работы 127
4.5. Заключение по главе 4 130
Заключение 131
Список используемой литературы
- Эскизное проектирование и его место в концепции безошибочного проектирования
- Постановка задачи автоматизации эскизного проектирования
- Модель прототипного объекта корпусного мебельного изделия
- Структура подсистемы автоматизациии эскизного проектирования
Введение к работе
Теория автоматизированного проектирования является одной из самых
современных областей научных исследований, имеющих большое
прикладное значение. Это синтетическая дисциплина, интегрирующая
большинство современных информационных технологий и областей знания:
телекоммуникации, CASE-технологии, базы данных, языки
программирования, вычислительную математику, математическую логику и т.д. Системы автоматизированного проектирования широко используются в различных отраслях промышленности. Это обусловлено широкой информатизацией общества и принципиально новыми требованиями к производительности труда и качеству выпускаемой продукции, предъявляемыми рыночной экономикой. Интеграция России в мировое экономическое сообщество невозможна без дальнейшей интенсификации научных исследований в области автоматизированного проектирования и их практической реализации. Сложность технологических процессов, современные способы организации производства, возрастающий поток-информации между отдельными компонентами автоматизированных систем, а также жесткая конкуренция производителей и постоянно меняющаяся экономическая ситуация порождают большое количество задач, требующих новых подходов для их решения с целью максимальной автоматизации производственных процессов.
Проектирование изделий в мебельной промышленности имеет существенную специфику, обусловленную их материально-художественной сущностью. Необходимыми его этапами являются инновационная дизайнерская проработка и композиционное формообразование [6, 52, 58, 85]. В настоящее время российская мебельная промышленность является динамично развивающейся частью лесопромышленного комплекса [36, 37, 42, 80, 101], в структуре которой примерно 85% общего объема занимает корпусная мебель [31, 77]. Условия рыночной экономики и ликвидация
ажиотажного спроса на мебель сместили требования покупателя в сторону качества, эстетического облика и индивидуальности изделий при приемлемых ценах, регламентированных сроках поставки и гарантированном сервисе. Традиционное массовое производство мебели, а также получившее широкое распространение производство мебели по индивидуальным заказам полукустарными способами не в состоянии удовлетворить указанные требования. Реагируя на новые реалии, мебельные предприятия вынуждены каждый вид своей продукции ориентировать на удовлетворение запросов определенной группы потребителей или даже единственного потребителя при всемерном повышении качества изделий. В результате возникает и получает широкое распространение новый тип производства - позаказное промышленное производство, сочетающее в себе массовый выпуск и широкую номенклатуру изделий, отработанные технологические процессы и жесткие ограничения на время выполнения заказа, качество изделий и их индивидуальность, увеличение объема проектных работ и недопустимость ошибок проектирования. В силу противоречивости данных требований необходимым условием эффективного функционирования позаказного промышленного производства является использование средств автоматизации на всех этапах жизненного цикла изделия.
Систематические исследования проблем автоматизированного проектирования корпусной мебели начались в 90-х годах прошлого века [66, 67, 68, 83, 92]. В настоящее время на мебельных предприятиях эксплуатируется ряд систем автоматизированного проектирования [16, 43, 69, 84, 91]. Однако преимущественное использование в них геометрических моделей и полномасштабного набора исполнительных координат не позволяют в должной мере решить проблемы автоматизации позаказного промышленного производства. Необходим переход к объектным структурно-атрибутивным моделям (ОСАМ) [99], содержащим, наряду с геометрической информацией, данные о структуре объекта и декомпозиции его на уровни, сопряжении уровней между собой, внешних сопряжениях объекта,
конструкторско-технологических требованиях и ограничениях. Эти модели являются основой практической реализации концепции безошибочного проектирования и производства (БОПП) изделий корпусной мебели [22, 97].
В рамках концепции БОПП процесс проектирования изделия корпусной мебели разбивается на два этапа, дифференцированных по уровню абстракции моделей: дизайн и эскизное проектирование прототипных объектов (инжиниринг) и функциональное проектирование конкретного изделия с формированием необходимого комплекта конструкторско-технологической документации (реинжиниринг) [17].
Объектом исследования данной работы является эскизное проектирование прототипных объектов корпусной мебели для позаказного промышленного производства.
Актуальность исследования обусловлена тем, что именно на этапе эскизного проектирования закладываются основы безошибочного выполнения проектных операций реинжиниринга в условиях жесткого дефицита времени. Задача эскизного проектирования состоит в формировании модели прототипного объекта, инкапсулирующей конструктивные и технологические особенности его изготовления. Подобные модели отличаются высоким уровнем абстракции, в силу чего применение традиционных систем автоматизированного проектирования на этом этапе невозможно, ибо используемые в них модели не содержат всей необходимой информации для перехода к более высоким уровням абстрагирования.
Целью работы является создание математического, информационного, программного и методического обеспечения подсистемы эскизного проектирования прототипных объектов корпусных мебельных изделий, ее структуры и функциональности. Для достижения поставленной в работе цели использовались основные положения системного анализа, принципы и методы теории автоматизированного проектирования, элементы вычислительной и дискретной математики, современные технологии программирования. В ходе реализации цели были решены следующие задачи:
проведение анализа современного состояния уровня автоматизации проектирования мебельных изделий;
разработка методов преобразования эскизного описания прототнпного изделия в совокупность исполнительных координат деталей изделия;
разработка моделей и структур данных для формализации и представления КТТО;
разработка математических моделей сопряжения деталей прототнпного изделия;
формирование структуры и обоснование функций инструментальных средств подсистемы автоматизации эскизного проектирования прототипных объектов мебельных изделий.
Научная новизна исследования состоит в том, что в работе предложен новый подход к автоматизации эскизного проектирования и получены следующие результаты:
методы преобразования эскизного описания прототнпного изделия в совокупность исполнительных координат деталей этого изделия, отличающиеся сочетанием эскизного структурно-атрибутивного представления изделия с конструкторско-технологическими требованиями и ограничениями, что обеспечивает минимизацию участия человека при выработке исполнительных координат;
математические модели структур данных и правил для формализации и представления КТТО конструктивных элементов (узлов) мебельных изделий, отличающиеся эскизным представлением конструктивных элементов в сочетании с набором правил и геометрических отношений, определяющих исполнительные координаты элементов этих узлов, что позволяет реализовать основные положения концепции БОПП;
алгоритмы формирования исполнительных координат узлов сопряжения элементов мебельных изделий, отличающиеся автоматическим синтезом исполнительных координат по эскизному описанию этих узлов, что позволяет исключить участие человека в
формировании исполнительных координат;
структура и способы формирования баз данных КТТО, отличающиеся параметрической адаптацией к технологии конкретного производителя мебельного изделия, что обеспечивает их использование в автоматическом режиме;
требования к структуре и функциональности инструментальных средств автоматизации эскизного проектирования корпусных мебельных изделий и ансамблей, отличающиеся комплексным учетом положений концепции безошибочного проектирования, что позволяет сформировать принципиально новый способ автоматизации проектирования мебельных изделий, обеспечивающий возможность их промышленного изготовления в условиях позаказного производства.
Практическая значимость исследования состоит в реализации подсистемы автоматизации эскизного проектирования прототипных объектов корпусных мебельных изделий. Анализ опыта ее применения на ряде мебельных предприятий показал значительное сокращение времени проектирования новых изделий, отсутствие субъективных ошибок проектирования, формирование моделей, адаптированных к технологическим особенностям конкретного мебельного предприятия. Помимо этого следует отметить использование разработанной подсистемы при подготовке кадров для мебельной промышленности в высших и средних специальных учебных заведениях.
Структура диссертационной работы.
В первой главе рассмотрены особенности автоматизированного проектирования мебельных изделий и проведен анализ современного состояния проблемы и подходов к автоматизации проектирования. Рассмотрены различные САПР корпусных мебельных изделий и показано, что их функциональные возможности не позволяют в полной мере учесть особенности позаказного промышленного производства. На основе проведенного анализа сформулирована задача синтеза математических
моделей для использования в процессе эскизного проектирования прототипных изделий.
Вторая глава посвящена элементам математического,
информационного и программного обеспечения автоматизированной подсистемы эскизного проектирования прототипных объектов мебельных изделий. Приведены структуры узлов сопряжения и КТТО, а также принципы построения программного обеспечения. По результатам исследования обоснована и разработана структура проблемно-ориентированного программного обеспечения, включающего в себя ряд автоинтерактивных таблично-графических эскизных редакторов, определены задачи каждого редактора, принципы организации интерфейса, наборы входных и выходных данных.
Третья глава содержит алгоритмы формирования эскизной модели прототипного объекта, конструирования и расчета положений узлов сопряжения и контроля безошибочности формируемой модели. В ней проведен анализ КТТО, используемых в процессе проектирования корпусной мебели, и описана разработанная структура соответствующей базы данных.
В четвертой главе приведена структура подсистемы эскизного проектирования прототипных объектов мебельных изделий и рассмотрены особенности ее реализации. Обосновано применение адаптивного параметрического подхода при синтезе моделей объектов и представлена общая структура подсистемы автоматизации эскизного проектирования. Проведен анализ использования разработанной подсистемы на промышленных предприятиях и в учебных заведениях.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Харину Валерию Николаевичу, к.т.н., доценту кафедры Вычислительной техники ВГЛТА Старикову Александру Вениаминовичу, директору ООО «Базис-Центр» Бакулиной Наталье Николаевне и ведущему специалисту 000 «Базис-Центр» Каскевичу Николаю Владимировичу.
Эскизное проектирование и его место в концепции безошибочного проектирования
В соответствии с [39] «при разработке эскизного проекта выполняют работы, необходимые для обеспечения предъявляемых к изделию требований и позволяющие установить принципиальные решения». Основными работами, выполняемыми в фазе эскизного проектирования, являются выбор и оценка вариантов конструктивного решения, их проверка и выбор оптимального варианта, принятие решений по изготовлению. Результатом эскизного проектирования является совокупность документов, содержащих принципиальные конструкторские решения, на основании которых можно сформировать общее представление об устройстве и функционировании изделия.
Трактовка понятия эскизного проектирования в концепции БОПП, в основном соответствуя положениям ГОСТ, имеет ряд особенностей. С методологической точки зрения концепция БОПП разбивает жизненный цикл проектирования и производства КМИА на два относительно обособленных этапа: инжиниринг или эскизное проектирование и реинжиниринг или функциональное проектирование (рисунок 1).
Инжиниринг представляет собой традиционный процесс проектирования КМИА, в процессе которого на основании технического задания и технологических возможностей производства находятся принципиальные решения относительно конструкции будущего изделия. Однако в рамках концепции БОПП он имеет существенную особенность.
Традиционный процесс проектирования заключается в том, что конструктор, отталкиваясь от некоторой проектной ситуации и опираясь на результаты проектных исследований, создает в своем воображении образ будущего изделия, который затем конкретизирует в виде проектной документации. Другими словами его задача состоит в понижении уровня абстракции модели изделия, в движении от концепции изделия к его реализации. Эскизное проектирование в концепции БОПП изменяет направление вектора движения конструкторской мысли, сохраняя его начальные координаты. Задача формулируется следующим образом: построить эскизную модель прототипных объектов КМИА, инкапсулирующую технологические особенности ее изготовления. Другими словами, конструктор должен поднять модель изделия на более высокий уровень абстракции, получив в результате не комплект документов на конкретное изделие, а математическую модель - прообраз множества будущих изделий.
Исходные положения, на основании которых выполняется эскизное проектирование, дополняются формализованным описанием технологических возможностей применяемого оборудования и конструкторско-технологическими требованиями и ограничениями. В процессе эскизного проектирования в прототипные модели на абстрактном уровне включаются две группы алгоритмов (методов): алгоритмы реструктуризации, предназначенные для определения правил компиляции прототипных моделей в конкретные изделия, и алгоритмы контроля, гарантирующие безошибочность реализации этого процесса.
КТТО в общем виде представляют собой базу данных, содержащую структурированный перечень предельных и оптимальных параметров проектирования, а также формальных алгоритмов контроля соответствия прототипного изделия этим параметрам. Уровень абстракции КТТО соответствует уровню абстракции модели в целом, что позволяет в процессе реинжиниринга при понижении уровня абстракции изделия производить поэтапную замену формальных параметров фактическими параметрами с автоматическим подключением алгоритмов контроля соответствующего уровня. Включение указанных алгоритмов в прототипные модели изделия соответствует концепции объектно-ориентированного подхода к проектированию [50] и является основой его безошибочности [23].
Особое место в эскизном проектировании занимают методы обработки узлов сопряжения, которые объединяют в себе элементы алгоритмов реструктуризации и контроля. Количественные характеристики множества узлов сопряжения проектируемого изделия определяются его геометрическим обликом, полученным на очередном шаге итерации проекта.
Постановка задачи автоматизации эскизного проектирования
При построении любых САПР вопрос выбора инструментальных средств является ключевым, определяющим в целом эффективность решения поставленных задач.
Автоматизацию эскизного проектирования средствами традиционных САПР реализовать не предоставляется возможным в силу информационной ограниченности используемых ими геометрических моделей. Данные модели не содержат всей необходимой информации для перехода к более высокой степени абстрагирования, в частности, об алгоритмах реализации сопряжений деталей изделия между собой, методах контроля соответствия модели технологическим требованиям и ограничениям и т. д. В силу этого для автоматизации эскизного проектирования необходима разработка оригинального программного обеспечения (ПО), основные требования к которому можно сформулировать следующим образом: - алгоритмическое решение проектных задач на возможно более высоких уровнях абстракции математических моделей для минимизации субъективных ошибок; - унификация решений,.принимаемых на всех этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ), обеспечивающая их вариативное повторное использование; - оптимизация параметров изделия по конструктивным, эстетическим, финансовым и технологическим критериям для получения оптимального соответствия возможностей производства и запросов рынка; - комплексная автоматизация проектных и расчетных задач, выполняемых на всех этапах ЖЦИ, позволяющая существенно сократить его протяженность по времени; - быстрая адаптация производства к новым типам и моделям изделий; - интегрируемость всех этапов ЖЦИ в единое информационное пространство предприятия или холдинга, что дает возможность каждому из них расширять информационную структуру изделия.
В общем случае математические модели КМИА можно рассматривать с функциональной и структурной точек зрения. В первом случае они представляются в виде совокупности данных отдельных этапов ЖЦИ: - конструкторские данные: описание геометрической формы, размеров и структуры изделия, технические характеристики и ограничения, результаты различных расчетов; - технологические данные: маршрутные и операционные технологии, нормы времени выполнения отдельных операций и расхода материалов, данные для станков с ЧПУ, ограничения, накладываемые используемым оборудованием; - производственные данные: производительность оборудования, принятая система контроля качества, материально-техническое снабжение; - экономические данные: результаты маркетинговых исследований, экономические обоснования, расчет себестоимости, текущее и перспективное планирование; - логистические данные: исследования постпроизводственных стадий ЖЦИ, гарантийное сопровождение и ремонт.
Структурно информационная модель представляет собой иерархическую декомпозицию обобщенного мебельного изделия и состоит из деталей, узлов сопряжения и блоков, причем последние определяются рекурсивно без ограничения уровня вложенности.
Интегральную информационную модель КМИА можно представить в виде системы параметрических нелинейных уравнений. Задача ПО заключается в создании на их основе обобщенных параметрических проектов высокого уровня абстракции, с помощью которых в дальнейшем можно автоматически получать множество конкретных проектных решений, варьируя входные параметры. Таким образом, по своей сути ПО для автоматизации эскизного проектирования в рамках концепции БОПП, должно быть параметрическим, причем изо всех известных подходов к параметризации этим целям в наибольшей степени соответствует адаптивный подход [24, 26, 27]. Он предполагает синтез модели изделия в виде обратимых отношений между ее составными элементами. Другими словами, любой элемент в данной модели, естественно с учетом его функционального назначения, может быть и задающим, и определяемым. Это позволяет передать решение большинства проектных задач на высшие уровни абстракции, что в свою очередь дает возможность их выполнения на низших уровнях абстракции в автоматических режимах. При этом существенно уменьшается количество задействованных проектировщиков и субъективных ошибок проектирования при одновременном повышении качества проекта.
Модель прототипного объекта корпусного мебельного изделия
Любое проектируемое изделие, в том числе и прототипный объект КМИА, состоит из элементов и связей между ними, поэтому его концептуальная модель формально может быть описана множеством упорядоченных пар: S= N,R (2) где N={rjij - множество элементов изделия (в случае КМИА это щитовые элементы, сборочные единицы, элементы крепежной и декоративной фурнитуры и т.д.); R={rJ - множество связей (отношений) между элементами ПІ (проходные вертикальные перегородки, накладные фасады, распашные или раздвижные двери, задняя стенка внакладку или в четверть и т.д.).
Таким образом, концептуальная модель прототипного объекта КМИА представляет собой некоторую формальную структуру из элементов множества N, между которыми установлены отношения R.
Для формирования эскизного представления КМИА необходимо перейти от концептуальной модели к аналитической модели, выполнив операции абстрагирования и редукции размерностей [62]. Аналитическая модель прототипного объекта КМИА состоит из трех взаимосвязанных и взаимодополняющих друг друга моделей [23, 29]: r = Mkm{jMs\jMkl (1) где Мкт - конструкционная модель прототипного объекта; Ms - модель узлов сопряжения; Мк1 - модель КТТО. Каждая из этих моделей, являясь ОСАМ, представляет собой суперпозицию двух сущностей: объектно-ориентированной и структурно-атрибутивной, причем первая из них носит универсальный характер и являет ся общей для всех моделей. В отличие от нее структурно-атрибутивная сущность каждой модели является уникальной и несет в себе характерные черты соответствующего объекта.
Обобщенное формальное описание модели объекта с точки зрения объектно-ориентированного подхода можно представить в виде упорядоченной тройки множеств: A =(U4H(UsyH(UF (4) /:=1 ./:=1 к:=\ где А І - данные, описывающие объект; Sj - свойства, которыми обладает объект; Fk - методы, реализующие отдельные свойства объекта и необходимые проектные процедуры.
Высокий уровень абстрагирования, характерный для эскизного представления модели, не позволяет процедурно реализовать ряд свойств объекта, инвариантно относительно уровня абстрагирования, например, связанных с допустимостью исполнения узлов сопряжения при одновременной модификации способа сопряжения и элементов сопряжения. Это требует дополнения модели (4) аспектными атрибутами (аспектами), в которых локализуются сквозные требования к объекту, и которые позволяют осуществить препро-цессинг модели на уровне эскизного проектирования, не переходя к исполнительным координатам. Аспект представляет собой такое свойство объекта, абстрагирующее некоторую сущность предметной области, которое не имеет процедурной реализации на данном уровне абстракции и не является элементом функциональной декомпозиции объекта, но активно влияет на процесс формирования модели эскизного представления этого объекта.
Применительно к составным элементам прототипных объектов КМИА (3) соотношение (4) трансформируется в формат объектно-ориентированной модели, структура которой представлена на рисунке 5. Включение аспектных атрибутов в модель КМИА позволяет аккумулировать всю информацию, не обходимую для моделирования локализованных реальных объектов в различных аспектах независимо от уровня абстрагирования. атрибуты
Данные, описывающие объект, включают в себя геометрическую информацию о внешнем облике, информацию об особенностях его конструкции и технологии изготовления или применения. Свойства и аспекты любого объекта определяются его принадлежностью определенному классу мебельных изделий, элементов сопряжения или КТТО. Методы представляют собой формализованные описания правил и процедур контроля безошибочности выполнения отдельных проектных операций, включающие в себя алгоритмы их реализации и наборы формальных параметров. Исполнение методов происходит на этапе реинжиниринга в автоматическом режиме, когда в процессе выполнения процедур параметрического синтеза подключаются методы соответствующего уровня, и наборам формальных параметров ставятся в соответствие наборы фактических параметров.
На этапе эскизного проектирования определяется структура аналитической модели изделия (3), каждый из компонентов (4) которой представляет собой объектную модель.
Структура подсистемы автоматизациии эскизного проектирования
С технической точки зрения сложность практической реализации ПАЭП определяется следующими факторами: - полным отсутствием аналогов, исключающим возможность использования типовых проектных решений и прикладных модулей; - необходимостью информационной стыковки с существующими автоматизированными системами на уровне рабочего абстрагирования; - наличием совокупности тесно взаимодействующих подсистем, решающих свои локальные задачи и предъявляющих повышенные требования к скорости и безошибочности обмена информацией.
Основное функциональное назначение ПАЭП заключается в формировании ОСАМ прототипного объекта КМИА, включающей в себя геометрическую модель корпуса мебельного изделия, структуру его внутреннего наполнения с фиксацией взаимосвязей и взаимозависимостей всех составных элементов, параметры и методы построения узлов сопряжения и алгоритмы облицовки кромочными материалами. Любой шаг формирования модели прототипного объекта предполагает автоматическое обращение к базе данных КТТО с целью включения в модель соответствующих требований и ограничений [18].
Математические модели, полученные в результате работы ПАЭП, представляют собой обобщенные параметрические проекты высокого уровня абстракции, назначение которых состоит в том, чтобы в ходе последующего реинжиниринга автоматически получать множество конкретных проектных решений, варьируя входные параметры. Исходя из этого, при ее программной реализации применялся адаптивный параметрический подход, предполагающий синтез модели изделия в виде обратимых отношений между ее составными элементами. АТГР, входящие в состав ПАЭП, реализуют конкретный функционал, выполняя фактически функции параметризаторов и формируя пространство прототипных объектов мебельных изделий, абстрагированных от специфики производства и функционального назначения изделий.
При разработке ПО ПАЭП были реализованы следующие критерии: - реальная автоматизация работы: инструментальные средства должны экономить время, обеспечивать продуктивность работы и в тоже время не противоречить традиционным подходам к проектированию; - системный подход и обеспечение полного функционала эскизного проектирования: разработка ПО базируется на системном анализе процесса эскизного проектирования, при этом все проектные операции формирования ОСАМ реализуются автоматизированным способом; - простота освоения и удобство использования: интуитивно понятная конечному пользователю логика работы программы и организация интерфейса в стиле системы Windows [109], определяющая скорость его адаптации к системе; - открытость: возможность настройки параметров системы в соответствии с субъективными предпочтениями пользователя и условиями ее эксплуатации; - универсальность и типизация проектных решений: использование системы для любых мебельных предприятий, работающих в условиях позаказного промышленного производства независимо от объемов и номенклатуры выпускаемых изделий; - визуализация: наглядное представление результатов выполнения любого шага проектирования; - надежность: защищенность системы от сбоев аппаратного обеспечения, возможность возврата на любой шаг проектирования, защита от несанкционированных или некорректных действий пользователя; У - масштабируемость: наращивание функциональных возможностей при строгом соблюдении преемственности форматов данных; - обоснованные системные требования и совместимость с периферийным оборудованием.
Структурная схема ПАЭП показана на рисунке 25. В соответствии с принципом модульности она реализована как совокупность взаимодействующих АТГР - программных подсистем, соответствующих структуре инструментального комплекса автоматизации эскизного проектирования (рисунок 13). В свою очередь каждый из АТГР представляет собой совокупность программных модулей, реализующих конкретную функциональность и работающих под управлением программы-монитора UNIT. Другой важной функцией, реализуемой монитором, является организация взаимодействия всех модулей ПАЭП с операционной системой и системой управления базами данных.
