Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль CALS-технологии в современном проектировании и производстве 11
1.1 Анализ существующих методов проектирования 13
1.1.1 Методы трехмерного проектирования 16
1.2 Проектирование с использованием CALS технологий 28
1.2.1 Общие положения 28
1.2.2 Определение CAD, САМ и САЕ 35
1.2.3 Сценарий интеграции проектирования и производства посредством общей базы данных 39
1.2.4 Параметризация и параметрическое проектирование 45
1.3 Выводы 52
Глава 2. Многоуровневая иерархическая модель изделий 53
2.1 Параметризация элементов и сборочных узлов 53
2.1.1 Геометрическая параметризация 53
2.1.2 Негеометрические параметры 55
2.2 Фракталы. Фрактальные объекты 56
2.2.1 Иерархичность объектов проектирования 56
2.2.2 Фракталы в природе 58
2.3 Принципы многоуровневой параметризации объектов 60
2.4. Депараметризация и повторная параметризация объектов 63
2.5 Иерархия типов параметров 66
2.6. Универсальный алгоритм построения изделия 68
2.6.1 Блок-схема алгоритма 70
2.7. Пример иерархической структуры объекта при многоуровневой параметризации..71
2. 8 Выводы 76
Глава 3. Технология параметризации 77
3.1 Традиционные способы изготовления 77
3.2 Проектирование с использованием САПР 79
3.3 Использование CALS технологий 83
3.4 Реализация многоуровневой параметризации и репараметризации объектов на производстве 88
3.5 Выводы 91
Глава 4. Использование разработанных подходов многоуровневой параметризации 92
4.1 Принципы работы библиотеки шаблонов типовых составов 93
4.1.1 Терминология 93
4.1.2 Назначение механизма шаблонов типовых составов 95
4.1.3 Структура механизма шаблонов типовых составов 95
4.1.4 Схема данных БД шаблонов типовых составов 120
4.1.5 Динамическая корректировка состава изделия 121
4.1.6 Функция реализации 121
4.1.7 Атрибут шаблона объекта 122
4.1.8 Пример построения многоуровнего прототипа в системе «КЗ-Мебель ПКМ» .124
4.2 Выводы 140
Заключение 141
Список используемой литературы
- Анализ существующих методов проектирования
- Параметризация элементов и сборочных узлов
- Традиционные способы изготовления
- Принципы работы библиотеки шаблонов типовых составов
Введение к работе
Актуальность исследования 4
Цель исследования 7
Научная новизна ; 8
Практическая ценность 9
Апробация работы 10
Анализ существующих методов проектирования
В системах автоматического проектирования (САПР) моделирование отдельного объекта - это первооснова, из которой потом складывается целостный проект всего изделия. По мере ужесточения требований к качеству проекта и производительности САПР подвергался усовершенствованию и сам процесс моделирования. Следовательно, возникает необходимость проследить развитие представлений о моделировании объектов в рамках САПР, а также указать достоинства и недостатки того или иного метода [34], [43].
Исторически сложилось, что в момент появления первых САПР к ним предъявлялись те же требования, что и к обычному кульману. Они так и назывались - «электронный кульман». Только, в отличие от обычного кульмана, здесь в качестве листа бумаги выступал экран монитора, а в качестве карандаша - клавиатура компьютера (или манипулятор «мышь»). Кстати, при внедрении этих «электронных кульманов» производительность труда резко упала. Работать с клавиатурой было непривычно, и, к тому же для этой работы требовались специальные навыки. Выигрыш в производительности был очевиден в том случае, если возникала необходимость доработать проект. В этом случае «электронный ластик» был гораздо эффективнее обычного [53], [55].
Интересно, что под термином «моделирование» или «проектирование» (а в ту эпоху эти термины были синонимами) понималось изготовление именно плоского чертежа изделия. Ни о какой трехмерной модели, как таковой, не было и речи.
К достоинствам такого проектирования можно отнести относительную простоту корректировки проекта (разумеется, по сравнению с «бумажным» проектированием), отсутствие необходимости последующего выполнения чертежей проектируемых деталей (сам проект являлся чертежом). Недостатки: отсутствие моделирования, как такового, отсутствие специфических средств проектирования, связанных с тем или иным направлением.
Параллельно уже описанному способу моделирования объектов, когда на экране ЭВМ выполнялся чертеж изделия, шло проектирование с выполнением на экране ЭВМ рисунка изделия, как правило, аксонометрического. Особенностью такого способа являлось то, что в отличие от предыдущего «проекта», где чертежи нужны были для производства, этот был предназначен для клиента. Недостатки у этого способа проектирования аналогичны предыдущему [14], [51], [59], [73], [74], [79].
Среди компьютерных программ, позволяющих реализовать эти способы проектирования, можно назвать практически все графические редакторы. Причем как растровые, так и векторные. В основном это, конечно, векторные редакторы, например, CorelDraw. Несколько особняком стоят достаточно мощные графические пакеты AutoCAD, Китеж или Компас. Несмотря на очевидное преимущество последних перед первыми, к их недостаткам можно было отнести отсутствие специальных (относящихся к какой-то одной отрасли) средств проектирования и недостаточное качество фотовизуализации.
Несмотря на очевидную несостоятельность двух упомянутых способов проектирования, они по-прежнему существуют и достаточно популярны на небольших предприятиях. Так, в городе Дзержинске Нижегородской области на момент написания работы только 10% мелких и средних предприятий использовали в своей работе полноценную САПР. Около 20% составляли проекты «от руки». Оставшиеся предприятия использовали графические редакторы для рисования внешнего вида изделия. Причем эта доля предприятий даже понятия не имела о том, что есть специальные программы, которые позволяют выполнить работу по созданию проекта с гораздо большей производительностью и учитывающих особенности того или иного направления в проектировании. Подобная ситуация наблюдается во многих небольших городах России. В Нижнем Новгороде и других крупных городах ситуация более обнадеживающая, но до идеала и им далеко.
Следующим шагом в области проектирования является использование уже специальных САПР, учитывающих особенности той или иной отрасли. К числу программных продуктов, позволяющих это делать, можно отнести AutoCAD с различными надстройками для него (Mechanical Desktop и пр.), Компас с его надстройками, программный комплекс КЗ с различными надстройками, а также другие специализированные программы. Таким образом, деление программных продуктов идет в зависимости от той области машиностроения, для которой они предназначены.
Особо стоит выделить ряд САПР, позволяющих осуществить параметризацию объектов проектирования и ускорить производство изделий. Использование таких программных продуктов дает максимальную отдачу, поскольку позволяет существенно сократить сроки разработки изделия.
Параметризация элементов и сборочных узлов
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.
Решение данной задачи осуществлено учеными (Полозовым В. С, Будековым О. А., Ротковым С. И. и др.) в ряде работ, например [51], [64], [77] и пр. В работе [51] авторы различают два вида параметризации: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя параметризация — процесс выбора и подсчета количества параметров, выделяющих фигуру из множества различных фигур, соответствующих одному и тому же их определению. Положение фигуры в пространстве не принимается во внимание. Параметры, выделяющие фигуру, независимо от ее положения в пространстве, характеризуют ее форму, и поэтому, по мнению авторов, называются параметрами формы.
Внешняя параметризация - процесс выбора и подсчета количества параметров, необходимых для выделения определенного положения фигуры из данного множества конгруэнтных фигур в пространстве. 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 Где Е - общее число параметров, Р - число параметров формы, Q - число параметров положения.
Описанный авторами подход достаточно прост. Но он применим только к достаточно простым фигурам, для которых можно с легкостью определить число параметров формы и параметров положения. К тому же, данный подход оперирует только геометрическими параметрами.
Авторы работы [77] предлагают способ определения необходимого и достаточного числа параметров не только для простых фигур, но и для составных, образованных рядом простых фигур. Авторы считают, что для однозначного выделения единственной фигуры требуется конечное число параметров. Это число можно условно записать в следующей форме: Р=ПП+(ПФ+ПВ)-ГУ (1) Где ЕР - 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. Согласно [77] существует всего пять геометрических условий: Инцидентность; Перпендикулярность; Параллельность; Симметрия; Сопряжение.
Поскольку целью авторов описанных выше работ [51], [64], [77] было создание алгоритма определения необходимого и достаточного количества размеров на чертеже детали, данный подход описывает только геометрические параметры. Для полноценного описания объектов их не достаточно. В качестве примера рассмотрим параметрическое описание болтового соединения (рис. 6).
Рис. 6 Болтовое соединение Диаметр отверстия под болт, например, напрямую зависит от материала соединяемых деталей и от нагрузки на соединение, то есть одних только геометрических параметров недостаточно. Таким образом, необходимо привлечение дополнительных негеометрических параметров.
Расширим приведенные выше формулы негеометрическими параметрами. Р= ЕРГ+РНГ=(ПП+(ПФ+ПВ)-ГУ)+(ПНГ-НГУ) (2) где ЕРГ - число геометрических параметров; ЕРНГ - число негеометрических параметров; ПНГ - негеометрические параметры; НГУ - негеометрические условия.
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 проектировании изделий, используя механизмы параметризации, обычно ищут компромисс между точностью описания изделия и количеством параметров. Слишком малое число параметров не позволяет описать изделие достаточно точно, что влечет необходимость ручной корректировки спроектированной детали или узла. Слишком большое число параметров затрудняет процесс проектирования, поскольку конструктору представляется затруднительным держать в голове такое количество величин. Также недостатком большого числа параметров является сложность определения области существования параметров [51].
Традиционные способы изготовления
При данном типе производства особенности машиностроения и мебельного производства практически одинаковы. Отличия заключаются только в «исходных данных» такого проектирования. В мебели - это, в первую очередь, дизайн. В машиностроении - эксплуатационные требования - требования прочности, износостойкости и пр. [62]
Проект серийного изделия делается всерьез и надолго. Поэтому качество проекта должно быть очень высоким. В такой проект должно закладываться буквально все. Это изучение и прогнозирование спроса потребителей будущего изделия. Это одинаково относится и к мебели, и к машиностроению. Причем, в последнем случае проанализировать спрос гораздо сложнее, поскольку спрос определяется потребностями в продуктах, выпускаемых с помощью изготавливаемых машин и механизмов, а не на сами эти элементы (можно изучить спрос на велосипеды, но не на педальные приводы и звездочки к цепной передаче). Ко всем деталям должны быть выполнены чертежи, причем в полном соответствии ЕСКД. Изготовленные изделия затем должны быть сертифицированы. Это значит, что все материалы, использующиеся при изготовлении, должны соответствовать требованиям безопасности. Это, в первую очередь, относится к маслам, смолам ДСП, ламинирующим материалам, краскам, лакам и пр. Тестовое изделие должно пройти испытание на прочность, то есть просто быть разрушено. При этом чем «живучее» окажется изделие, тем лучше. Опять же хотелось бы уточнить, что речь идет именно об изделии, то есть о совокупности ряда элементов, входящих в изделие. Только по прошествии всех испытаний изделие начинают изготавливать и поставлять на рынок.
Индивидуальное производство (оно относится в данном случае в основном к мебели) несколько отличается от серийного. «Жизнь» проекта здесь коротка: он создается для одного изделия. Однако проекты приходится составлять гораздо чаще и, соответственно, требования к такому проекту и такому изделию тоже другие. Основной критерий при изготовлении индивидуальной мебели - это скорость и точность расчета, пусть даже в ущерб некоторой удобочитаемости, требуемой ЕСКД.
Ручным проектированием будем называть проектирование без использования средств автоматизации. Проектирование, где инженер в редакторе Paintbrush при помощи мышки рисует внешний вид шестеренки, не является автоматизированным, поскольку на основе такого проекта невозможно получить ни спецификации изделия, ни расчета его характеристик, ни чертежей. К счастью, ручное проектирование в отечественной промышленности встречается все реже и реже.
Несмотря на то, что рынок САПР в мире и в России достаточно широк, найти специализированную САПР для конкретной отрасти промышленности достаточно сложно. Рынок программных продуктов для автоматизированного проектирования мебели достаточно ограничен. Что же касается машиностроения, то такие САПР российского производства практически отсутствуют. Сначала рассмотрим так называемые специализированные «мебельные» программы.
Подобные программные продукты условно можно разделить на следующие категории: те, которые позволяют компоновать помещение из уже готовых спроектированных мебельных изделий; те, которые позволяют проектировать индивидуальное изделие с нуля; выполняющие обе функции.
Остановимся на третьем варианте, как наиболее полном и интересном. Достоинства и недостатки этого варианта могут быть смело отнесены и к первым двум [21], [23], [58].
Среди заслуживающих рассмотрения систем проектирования можно выделить три: «bCAD», «Базис-Мебельщик» и «КЗ-Мебель ПКМ» (проектирование корпусной мебели) [21]. Рассмотрим каждую из них.
Принципы работы библиотеки шаблонов типовых составов
Ниже описан принцип работы механизма многоуровневой параметризации и репараметризации объектов применительно к мебельной отрасли, в которой, как показано в главе III, применение данных подходов является актуальной задачей. Данные подходы могут быть применены к проектированию любых изделий.
Опишем терминологию, принятую в «КЗ-Мебель ПКМ» в рамках библиотеки шаблонов типовых составов.
Параметр шаблона объекта - переменная определенного типа, значение которой однозначно интерпретируется функцией реализации шаблона объекта, влияет на форму, состав, положение и пр. конкретного экземпляра объекта, выделяя его среди множества потенциальных. Определение параметра в рамках библиотеки шаблонов типовых составов (БШТС) несколько отличается от данного в главе I.
Параметры в рамках БШТС могут быть входными, выходными и обратными.
Входные параметры - параметры, на основе которых строится объект и вычисляются выходные параметры.
Выходные параметры - величины, значения которых необходимы для построения объектов более низкого уровня («детей1»). Значения этих величин являются значениями входных параметров для «детей».
Обратные параметры - величины, значение которых вычисляется у «ребенка» и используется при построении «предков».
Выражение - набор функций, вычисляющий значение выходных и обратных параметров объекта.
Атрибуты - дополнительная информация негеометрического характера, необходимая для описания объекта. Примером атрибута может являться артикул изделия, стоимость изделия и пр.
Шаблон объекта - информация, необходимая для вычисления конкретных значений параметров объекта. Шаблон объекта представлен в табличном виде и содержит следующую информацию: о Набор входных параметров;
о Набор выражений для вычисления выходных параметров объекта; о Состав объекта; о Атрибуты объекта, о Функция реализации объекта. Шаблон объекта нижнего уровня (листа) не имеет выходных параметров и не имеет состава.
Функция реализации объекта - функция (программный модуль), принимающая на вход параметры шаблона объекта и создающая объект КЗ [57], если создается терминальный объект, или вызывающая функции реализации «ребенка». Функцией реализации нетерминального элемента будем считать описанный в предыдущих главах универсальный алгоритм.
Экземпляр объекта - объект КЗ, представляющий собой реализованную интерпретацию шаблона объекта с актуализированными определенными значениями параметрами. Одному шаблону объектов может соответствовать множество экземпляров объекта.
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).
Ядро механизма шаблона типовых составов составляет одна или несколько баз данных, содержащих информацию о составах. Опишем структуру таблиц базы данных.
Таблица самоидентификации
Таблица самоидентификации содержит информацию о базе данных. Эта информация нужна при работе с несколькими БД шаблонов типовых составов. Структура таблицы представлена в таблице 5:
Текстовый Путь к макропрограмнан Назначение полей: IdentName - Имя БД шаблонов типовых составов. IdentAlias - Псевдоним БД шаблонов типовых составов. IdentVersion - Версия БД шаблонов типовых составов. Необходима для недопущения работы со старыми версиями БД. IdentSignificance - Уровень значимости. Задает порядок сортировки БД при работе с несколькими БД шаблонов типовых составов. IdentPath - путь к библиотеке функций шаблонов типовых составов. MacroPath - путь к макропрограммам с функциями реализации объектов. Пример заполнения таблицы самоидентификации представлен ниже: Пример заполнения таблицы самоидентификации
