Введение к работе
Актуальность работы. За последние десять лет, в промышленности, резко возрос объём проектно - конструкторских и проектно - технологических работ. Это связано, прежде всего с тем, что расширяется номенклатура выпускаемых изделий, проходит очень большое число модификаций изделий, но в целом серийность, то есть количество выпускаемых одинаковых изделий уменьшается. Всё это является определяющим фактором для широкого и активного использования в современном производстве автоматизированных CAD/CAM/CAE систем. В качестве входной информации для этих систем выступает параметрическая гладкая модель геометрии детали, которую обычно создаёт конструктор. Однако к настоящему времени значительно расширился круг задач, в которых исходная модель оказывается неизвестной, но даны координаты множества точек поверхностей объекта (детали), либо реально уже существующего, либо полученного численным расчетом, например методом конечных элементов. Характерной особенностью этого множества является то, что его элементы (точки) заданы со значительным шумом (случайным искажением), который сопряжен, например, с погрешностями расчета или сканирования. Требуется так обработать данное множество, чтобы получить (восстановить) гладкую параметрическую модель геометрии объекта в пределах данного допуска. Такой допуск, например, может быть равным заданной точности фрезерования. В следствии актуальности и важности для практики сформулированная задача обработки данных множеств получила специальное название - задача обратного проектирования (в англоязычной литературе - Reverse Engineering (RE)). В общем случае до сих пор эта задача не имеет решения. Известны работы, как отечественных авторов: Попов Е.В., Чмыхов Д.В., Конушин А.С, Беляев А.Г., Зорин Д., Фоменко А.Т. и других, так и зарубежных авторов: Taubin G., Chen Y., Desbrun M., Lavoue G. и других в которых описаны решения узкоспециализированных задач реконструкции поверхностей, например сегментация трехмерного изображения слепка человеческой челюсти или результатов сканирования архитектурных объектов. Из-за постоянного, широкого и высокого спроса на решение задач RE на рынке появился ряд коммерческих программных пакетов построения пространственной (3D) геометрии объекта по множеству его точек сканирования, например Paraform и Geomagic Studio и другие. Однако опыт показывает, что их применение в случае деталей с пространственно -сложными поверхностями приводит к неверному сегментированию или выпадению отдельных точек как показано в работе Конушина А. С. и др., 2010, и следовательно к принципиально ошибочному результату.
Проблемой, решению которой посвящена данная работа, является проблема построения CAD-модели развертки (фрезерованной заготовки) детали и оснастки для формовки пространственным изгибом, которые получены
численным расчетом и представлены в виде зашумленных погрешностями вычислений координат поверхностных узлов деформированной сетки конечных элементов. Причем рассматривается класс деталей типа монолитных панелей обшивок крыла самолета, которые характеризуются крупногабаритно-стью, разнотолшинностью, нерегулярным оребрением и двойной кривизной. Для этого класса деталей задача вычисления развертки во всех существующих коммерческих CAD-системах является "неподъемной", как сейчас, так, наверное, и в ближайшем будущем. Поэтому к настоящему времени развертку и оснастку для гибки данных деталей подбирают, как правило, экспериментальным путем. В ряде случаев этот путь сопряжен с недопустимо большими материальными и временными затратами. В работах Олейникова А.И. предложен итерационный алгоритм вычисления этих объектов, результаты реализации которого используются в данной работе. Кроме того актуальность данной работы обусловлена необходимостью эффективной загрузки дорогостоящего механообрабатывающего оборудования. Эффективное экономичное фрезерование имеет место при контакте фрезы с обрабатываемой поверхностью по плоскости или линии. Такой контакт может осуществляться при формообразовании (вырезании из плиты) плоских, цилиндрических и линейчатых участков поверхности панели. Напротив формообразование из плиты поверхностей двойной кривизны требует точечного контакта режущего инструмента и, следовательно, сопряжено с резким увеличением длины числовой управляющей программы и холостого хода, а также, в конечном итоге, падением производительности процессов мехобработки. Поэтому при решении данной задачи обратного проектирования возникает дополнительная задача выделения (идентификации) плоских, цилиндрических и линейчатых участков CAD-модели.
Целью работы является разработка методов, алгоритмов и программ построения по сетке МКЭ-решения гладких параметрических CAD моделей заготовок и оснастки деталей с выделенными плоскими, цилиндрическими и линейчатыми участками.
Для достижения данной цели были поставлены и получены программные решения следующих задач:
сегментация триангулированной сетки поверхности объемного тела на подобласти (участки) однородной кривизны и выделение их дискретных граничных кривых;
сглаживание граничных кривых и выделенных подобластей, определение их типов: плоских, цилиндрических и линейчатых и получение их гладких параметрических уравнений;
создание специализированного программного обеспечения по автоматизированному построению гладких параметрических CAD моделей заго-
товки и оснастки с выделенными плоскими, цилиндрическими и линейчатыми участками;
опытно промышленные испытания полученного комплекса программ.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались методами системного анализа, вычислительной геометрии, теории сплайнов, объектно-ориентированного программирования с использованием основных положений технологии машиностроения и ряда других методов и алгоритмов.
Научная новизна:
Разработан новый метод и алгоритм сегментации (выделения) деформированных поверхностей полигональных объемных моделей заготовок авиационных деталей путем нахождения соответствия с поверхностями исходной модели детали и методы их преобразования согласно типу поверхности: плоскость, цилиндр, линейчатая поверхность в параметрическое представление в системе Unigraphics.
Разработан метод и алгоритм сглаживания неровностей выделенных поверхностей, за счет использования найденного соответствия с поверхностями исходной аналитической модели.
Разработаны новые критерии распознавания с использованием гауссо-вого отображения для определения плоских, цилиндрических и линейчатых участков поверхностей, поскольку обработка таких поверхностей выполняется более эффективно на станках с ЧПУ.
Разработаны новые методы и алгоритмы выделения граничных кривых, сопрягаемых поверхностей их сглаживания и построения в системе 3D-моделирования Unigraphics с заданной точностью, заключающиеся в том, что используются параметры соответствующих граничных кривых исходной аналитической объемной модели детали.
Практическая значимость заключается:
в реализации комплекса программного обеспечения для функционирования в составе интегрированной CAD/CAM/CAE-системы, который позволяет получить решение обратного проектирования по построению разверток крупногабаритных деталей типа крыльевых панелей для пассажирских самолетов и оснастки для их формовки по сетке МКЭ-решения;
в применении модифицированной интегрированной CAD/CAM/CAE-системы для преобразования расчетных данных в эффективные для
производства модели, что позволяет без преобразования передать эти модели для дальнейшего использования в производстве;
в обеспечении регламентированной точности при построении поверх
ностей типа: плоскость, цилиндр, линейчатых и произвольных криво
линейных поверхностей за счет использования разработанных методов,
что позволяет повысить эффективность использования станков с ЧПУ.
Внедрение результатов работы. Разработанное программное обеспечение было опробовано на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении (КнААПО) на опытной детали, показало хорошие результаты. Время разработки модели сократилось в три раза, до 50 процентов контрольных точек лежало в допуске, что для существующего эмпирического метода достигалось после 3-5 итераций.
Положения, выносимые на защиту:
Методы и алгоритмы анализа полигональных трехмерных моделей, сегментации (выделения) и распознавания типов участков поверхностей, основанные на использовании исходной модели и гауссового отображения.
Методы и алгоритмы реконструкции поверхностей полигональных трехмерных моделей в аналитическое представление, основанные на полученных типах поверхностей.
Комплекс программ, использующий имеющийся программный интерфейс и реализующий разработанные алгоритмы в системе 3D-моделирования Unigraphics, позволяющий упростить разработку программ для станков с ЧПУ и уменьшить время обработки.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях и симпозиумах: 5-й Московской международной конференции ТПКММ, Москва, 2008 г. , "Параллельные вычислительные технологии" (ПаВТ'2008): (Санкт-Петербург, 28 января - 1 февраля 2008 г.), Математическое, вычислительное и информационное обеспечение технологических процессов и систем, Комсомольск-на-Амуре, 2010 г., 2nd Russia-Taiwan Sypposium. "Methods and Tools of Parallel Programming Multicomputers" (MTPPM), Vladivostok. 2010.
Личный вклад автора: разработка метода и алгоритма сегментации (выделения) участков поверхности полигональных 3D моделей и распознавания типов участков; разработка методов и алгоритмов преобразования участков поверхности полигональных 3D моделей в аналитическое представление; разработка комплекса программ, реализующего разработанные алгоритмы в системе 3D моделирования Unigraphics.
Результаты, изложенные в данной работе, получены при поддержке грантов ДВО РАН, РФФИ и Минобрнауки РФ (проекты 09-І-П11-03,09-П-СУ-03-001, 07-01-00747, 2.1.1/1686)
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 140 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 37 иллюстраций и список литературы, содержащий 153 наименований.
Автор искренне признателен лично научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Олейникову А.И., научному консультанту к.т.н., доценту Фролову Д.Н., за консультации, поддержку, внимание и критический анализ результатов работы.
