Исследование и совершенствование способов графического представления оборудования в процессе технологической подготовки производства Шестаков Виктор Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Организационные решения в технологической подготовке производства 11

1.1 Подготовка производства 11

1.1.1 Научно-исследовательские работы 12

1.1.2 Опытно-конструкторские работы 14

1.1.3 Технологическая подготовка производства

1.2 Организационные решения в ТПП 18

1.3 Проектирование в ТПП

1.3.1 Автоматизированное проектирование в сфере ТПП 22

1.3.2 Современные САПР производства 25

1.3.3 Тенденции в сфере АСТПП 25

1.4 Способы графического представления оборудования 27

1.4.1 Классические способы 29

1.4.2 Современные способы 31

1.5 Результат проектирования 33

1.5.1 Чертеж 34

1.5.2 Трехмерная модель 34

1.6 Выводы по главе 36

Глава 2. Методика графического представления технологического оборудования 37

2.1 Теоретические выкладки 37

2.1.1 Семиотика 37

2.1.2 Зрительное восприятие и абстрагирование 39

2.1.3 Building information model 40

2.1.4 АСУ и СОИ 42

2.1.5 Комплексные трехмерные модели 44

2.2 Методика создания унифицированных трехмерных моделей

2.3 Методика графического представления оборудования 50

2.4 Выводы по главе 53

Глава 3. Особенности реализации САПР технологического назначения 54

3.1 Методика позиционирования виртуальных объектов 54

3.1.1 Вложенные системы координат 54

3.1.2 Взаимное расположение объектов при проектировании цеха 55

3.1.3 Методика 57

3.2 Методика послойного представления информационных моделей 61

3.2.1 Слои в представлении комплексных моделей 61

3.2.2 Методика 62

3.3 Выводы по главе 62

Глава 4. Апробация разработанных методик 65

4.1 Инструментарий 65

4.1.1 Платформа 66

4.1.2 Язык программирования 67

4.1.3 Графическая библиотека 68

4.1.4 Пользовательский интерфейс 68

4.1.5 Формат трехмерных моделей 70

4.2 Программные решения 71

4.2.1 Трехмерный текст в среде WebGl 71

4.2.2 Оптимизация процесса формирования изображения 76

4.3 Выводы по главе 80

Заключение 81

Список сокращений 83

Список литературы

• Автоматизированное проектирование в сфере ТПП
• Зрительное восприятие и абстрагирование
• Взаимное расположение объектов при проектировании цеха
• Формат трехмерных моделей

Введение к работе

Актуальность исследования

Время, как и во всех прочих сферах деятельности человека, играет важнейшую роль в процессе подготовки производства к выпуску продукции, потому как в условиях рыночной экономики время, за которое предприятие может произвести требуемую продукцию, является одним из определяющих факторов конкурентоспособности этого предприятия. Благодаря достижениям в развитии вычислительной техники в современном мире для сокращения временных затрат повсеместно внедряются системы автоматизированного проектирования (САПР). Использование этих систем позволяет уменьшить число ошибок, допускаемых разработчиком при проектировании, и значительно ускорить сам процесс проектирования, за счет автоматизации действий, которые до этого выполнялись вручную. Сфера подготовки производства не является исключением, и в связи с тем, что она включает в себя широкий диапазон задач, изучение возможностей применения САПР для их решения остается актуальным и по сей день.

В рамках настоящей работы рассматриваются аспекты применения САПР в технологической подготовке производства (ТПП), а именно в процессе проектирования порядка соединения элементов производства для обеспечения изготовления продукции.

Любое проектирование, главным образом, направлено на определение свойств и характеристик разрабатываемого объекта. В случае проектирования изделий, инженеры используют бумагу и канцелярские принадлежности или же САПР для осуществления геометрических построений, которые позволяют получить представление изделия с требуемыми характеристиками в пригодной для его создания форме (комплект бумажной или электронной конструкторской документации). В случае разработки проекта цеха, для определения его организационной структуры, как целевой характеристики, требуется использовать объекты, представляющие архитектурные и производственные элементы, такие как: стены, дверные проемы, станки, коммуникации и прочее. Именно в этом заключается основная проблема применения САПР для решения этой задачи. Если набор простейших геометрических построений, с помощью комбинирования которых могут быть выполнены построения любой сложности, ограничен, то разнообразие объектов, которое может потребоваться для описания всевозможных производственных помещений, не сопоставимо велико.

Эта проблема может решаться за счет создания набора необходимых объектов под каждый конкретный проект, но в таком случае перед началом каждого проекта будет осуществляться дополнительный этап подготовки, что повлечет за собой дополнительные временные затраты. Иным путем решения

может быть упрощение или обобщение объектов. Эти принципы лежат в основе следующих, используемых в настоящее время, способов графического представления оборудования:

упрощенные контурные очертания в масштабе чертежа;

условные обозначения;

объемные габаритные контейнеры;

Все они обеспечивают простоту реализации проекта, но это негативно сказывается на наглядности и информативности конечно результата, в связи с чем в рамках настоящей работы были предприняты попытки их усовершенствования.

Следует отметить, что современные тенденции в развитии сферы подготовки производства, направленные на полную автоматизацию (причиной тому желание развитых стран поднять свои производственные мощности и тем самым уменьшить свою зависимость от стран с дешевой рабочей силой) и исключение физического участия человека в процессе производства, также обуславливают необходимость создания новых способов графического представления производства в электронном виде, соответствующих новым требованиям, предъявляемым к системам, через которые человек будет взаимодействовать с производством. В связи с чем в работе был рассмотрен ряд задач, касающихся разработки САПР для ТПП.

Степень разработанности

О состоянии рассматриваемой проблемы, главным образом, можно судить по существующим программным комплексам. Среди них:

AutoCAD: Factory design suite (Autodesk);

MPDS4: Factory Design Software (CAD Schroer);

CATIA: Plant Layout (Dassault Systemes);

DELMIA (Dassault systemes);

IT-Enterprise: Конструктор визуального размещения объектов (IT-Enterprise);

LCAD (Интермех);

FactoryCAD (Siemens);

КОМПАС: Библиотека планировок цехов (АСКОН).

Все вышеперечисленные продукты обладают обширным функционалом, поэтому их изучение было осуществлено только относительно возможностей, имеющих значение для проведенной работы.

Часть из этих систем (CATIA: Plant Layout, LCAD, КОМПАС: Библиотека планировок цехов) использует способы графического представления оборудования, основанные на упрощенных или обобщенных заранее разработанных объектов, которые обеспечивают высокую скорость проектирования, но негативно влияют на информативности и наглядности получаемого проекта. Другая часть (AutoCAD: Factory design suite, MPDS4:

Factory Design Software, DELMIA, IT-Enterprise: Конструктор визуального размещения объектов, FactoryCAD) систем не предполагает наличия набора готовых объектов и оставляет решение этой проблемы на усмотрение пользователя, предоставляя либо инструменты для создания объектов, либо возможность загрузки требуемых объектов из сторонних файлов. В связи с этим можно говорить о том, что способы представления оборудования не претерпели изменений с внедрением САПР в данную область проектирования, но ввиду потенциала автоматизированных систем проектирования исследования, направленные на использование их возможностей для повышения эффективности, имеют смысл и практическое значение.

Из всех источников в научной литературе для обзора были выбраны труды¹²³⁴.

Помимо выше перечисленного был проанализирован проект под названием «Virtual Factory Framework»⁵.

Научная новизна

Научная новизна проведенной работы заключается в:

на основе выполненного критического анализа существующих решений предложен новый способ графического представления оборудования в процессе технологической подготовки производства, который позволяет повысить информативность и наглядность общепринятых способов;

разработана методика создания унифицированных трехмерных моделей для представления функциональных групп технологического оборудования, которая позволяет получить альтернативу условным обозначениям и упрощенным контурным очертаниям с более высокой степенью наглядности;

предложена методика реализации процесса позиционирования объектов в САПР технологического назначения, которая позволяет решить проблему вариативности расположения геометрии относительно локальной системы координат, возникающую при использовании механизма вложенных систем координат;

¹ Baylor R. Factory layout for owners and integrators [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

httpy/synergiscadblog.conV2013/03/05/factory-layout-for-owners-and-integrators. - 2013. - (Дата обращения:

22.11.2014).

- Qachetti R.E A standard manufacturing information model to supportdesign for manufacturing in virtual enterprises //

Journal of Intelligent Manufacturing. - 1999. - T. 10. - С 49-60.

³ Li Shi-Tao, Ping Liang. The construction of plant-level virtual environment based on CATIA // Design, Manufacturing
and Mechatronics:Proceedings of the 2015 International Conference on Design, Manufacturing and Mechatronics
(ICDMM2015). - 2015. - С 99-107.

⁴ Захарова А. А., Шкляр А. В. Построение многокомпонентных визуальных ЗГ>моделей с использованием
разнородных источников информации, на примере создания геологических моделей // Известия. - 2012. - Т. 5. - С.
320.

^г' Wtual Factory Framework [Электронный ресурс]. - Режим fl0CTyna:httpy/. - 2013. - (Дата обращения: 05.11.2015).

- предложена методика использования технологии дублирования геометрии для повышения производительности визуализации технологических объектов при работе со сложными интерактивными сценами, включающими большое количество объектов.

Цель и задачи

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов ТПП за счет усовершенствования методов графического представления оборудования в процессе проектирования.

Задачи, поставленные в рамках работы:

1. Провести анализ существующих способов графического представления технологического оборудования.

2. Сформулировать возможные пути повышения эффективности существующих методов графического представления оборудования.

3. Разработать методику графического представления технологического оборудования.

4. Разработать комплекс методик, связанных с разработкой САПР технологического назначения.

5. Провести выбор инструментов и осуществить практическую реализацию разработанных методик.

Объект и предмет исследования

Объект исследования - организационные решения, принимаемые в процессе технологической подготовки производства, в рамках которых определяется форма (порядок) соединения элементов производства для обеспечения изготовления заданного объекта в заданных условиях и с заданными характеристиками.

Предмет исследования - применение автоматизированных систем в процессе проектирования структуры производства, в аспекте графического представления производственного оборудования.

Методы исследования

В процессе исследования использовались методы абстрагирования, синтеза и аналогии, а также компьютерного моделирования.

Для решения поставленных в работе задач использовались основные научные положения: технологии приборостроения, теории информационных систем, теории моделирования, теории знаковых систем, теории автоматизированных систем управления, объектно-ориентированного программирования.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

методика графического представления оборудования в процессе технологической подготовки производства.

методика создания унифицированных трехмерных моделей для представления функциональных групп технологического оборудования.

методика позиционирования объектов в САПР технологического назначения.

методика повышения производительности процесса формирования изображения в САПР технологического назначения.

Степень достоверности и апробация результатов

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов, 3 из которых в журналах из перечня ВАК.

О результатах диссертационной работы были сделаны доклады на следующих российских и международных конференциях:

6. V Всероссийский конгресс молодых ученых (8-12 апреля 2016 года);

7. XLV Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (6 февраля 2016);

8. XLIV научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (6 февраля 2015 года);

9. Всероссийский конгресс молодых ученых (8-11 апреля 2014 года);

10. XLIII научная и учебно-методическая конференция (29 января 2014 года)

11. XVI международная конференция по высоким технологиям и экономике (5-6 декабря 2013 года)

Теоретическая и практическая значимость работы

разработанная методика графического представления оборудования может быть использована в качестве базовой для проведения новых исследований способов графического представления производств для взаимодействия инженеров с кибер-физическими системами, согласно тенденциям в разработке информационных моделей производств;

полученные в результате работы методики могут быть использованы при модернизации существующих САПР технологического назначения, либо при разработке новых.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований и одного приложения. Работа содержит 125 страниц машинописного текста и 32 рисунка.

Автоматизированное проектирование в сфере ТПП

Основным элементом виртуального трехмерного пространства является вершина (vertex). На программном уровне — это три координаты. Точки могут соединятся линиями, иначе именуемыми ребрами (edge). На практике, наблюдая трехмерные модели в какой-либо компьютерной программе или мультипликационном фильме, вы никогда не увидите этих простейших элементов виртуального пространства, перед вашим взором предстают лишь поверхности «натянутые» между ними. В самом простом виде поверхность — ээто совокупность плоскостей, каждая из которых построена по трем точкам. Элементарную плоскость, построенную по трем точкам в мире компьютерной графики называют треугольником(triangle) или полигоном(polygon). Но уточним, что полигоном верно называть любую плоскость построенную по трем и более вершинам. На рисунке 1.2 изображены простейшие построения в трехмерной графике.

Данное разделение проведено на основании того, на каком уровне в системе происходит взаимодействие с виртуальным пространством. На «низком» уровне пользователь работает с элементарными единицами виртуального пространства, такими как полигоны, вершины, кривые. На «высоком» уровне осуществляются операции с готовыми трехмерными моделями для создания трехмерной сцены или проведения каких-либо имитационных расчетов.

Процесс проектирования может рассматриваться как постепенная детализация формы по мере развития идеи разработчика. Программное обеспечение автоматизированного проектирования — это просто одно из средств, облегчающих этот процесс. Типичные программы CAD могут быть разделены на две группы: системы автоматизированной разработки чертежей помогают проектировщику реализовать свои идеи в двумерном пространстве; системы геометрического моделирования позволяют работать с формами в трехмерном пространстве.

Для понимания данной области далее будут приведены основные типы систем геометрического моделирования. Системы каркасного моделирования В системах каркасного моделирования (wireframe modeling systems) пользователь работает на самом «низком» уровне, уровне взаимодействия с элементарными единицами виртуального пространства, такими как полигоны, вершины, кривые. В распоряжении пользователя всегда оказываются три простейшие операции — перемещение, вращение и масштабирования, и, в зависимости от уровня системы, набор комплексных инструментов, которые в основе своей также используют вышеперечисленные простейшие операции.

Важным моментом является то, каким образом трехмерная модель после создания записывается в файл. В файл записываются непосредственно координаты вершин, нормалей, текстурных координат напрямую.

Например, в простейшем формате «.obj» принята общая схема, согласно которой в начале строки стоит идентификатор того, какие именно данные хранятся в данной строке, затем сами данные: v 0.123 0.234 0.345 1.0 - форма записи координат вершины vn 0.707 0.000 0.707 - форма записи координат нормали vt 0.500 1 - форма записи текстурных координат f 6/4/1 3/5/3 7/6/5 - форма записи геометрических построений Системы поверхностного моделирования Системы поверхностного моделирования (surface modeling systems) — это системы моделирования более высокого уровня, чем каркасные. Суть поверхностного моделирования заключается в создании неких формообразующих точек, либо отрезков, на основе которых будет создаваться поверхность модели. В данном случае трехмерная модель не представляет собой таблицу значений координат простейших элементов, из которых она создана, а является набором уравнений, параметрами которых являются координаты опорных вершин и отрезков.

Системы твердотельного моделирования

В системах твердотельного моделирования (solid modeling systems) весь процесс моделирования происходит посредством так называемых булевых операций. Булевы операции (часто их называют логическими) пришли в трехмерную графику из математики, точнее, из булевой алгебры (названной в честь ее создателя — Джорджа Буля) и основаны на понятиях объединения, пересечения и исключения. - Объединение (соединение объектов в один); - Пересечение (в булевый объект входят только общие части исходных объектов); - Исключение (вырезание). [48]. Твердотельная модель описывается путем математической передачи данных о каждой точке поверхности модели, а также о каждой точке внутреннего объема. Твердотельное моделирование является единственным средством, которое обеспечивает полное описание трехмерной геометрической формы. Она является наиболее сложной системой образования геометрической формы, основанной на дискретном представлении детали.

В виде дискретных единиц выступают объемные тела правильной геометрической формы со стабильными физико-механическими свойствами по всему объему — твердотельные примитивы[50].

В настоящее время существует большое количество САПР систем. Среди них есть можно выделить полностью специализированные системы для проектирования производства и отдельные расширения для универсальных сред.

Ниже представлен список подобных систем: Стоит отметить, что тема эскизного проектирования в большинстве из них затрагивается только косвенно и большая часть функционала предназначена для технического проектирования производства. Но не смотря на это в данной работе эти системы были изучены с точки зрения реализации процесса проектирования и современных тенденций в данной области.

Научно-техническая революция представляет собой качественное преобразование производственных сил. Как правило в основу каждой промышленной революции ложится некоторое количество инноваций, за счет которых осуществляется это преобразование.

В основу первой промышленной революции в Великобритании легли изобретения, появившиеся к концу XVIII в. В текстильной промышленности начали использоваться прядильные машины, в черной металлургии каменноугольный кокс пришел на смену древесному, но наиболее перспективным стало изобретение и внедрение парового двигателя. Вторая промышленная революция явилась результатом освоения электричества и промышленных химикатов. Причиной третьей промышленной революции стало повсеместное внедрение цифровой техники в производство.

Зрительное восприятие и абстрагирование

Семиотика, или семиология — наука, исследующая свойства знаков и знаковых систем. Большая часть информации из данной области была почерпнута из трудов[32, 53, 60, 61, 71, 72, 83, 85].

Одним из основных объектов изучения данной научной дисциплины является понятие знака.

Знак — это материальный предмет (явление, событие), объективно заменяющий некоторый другой предмет, свойство или отношение и используемый для приобретения, хранения, переработки и передачи сообщений (информации, знаний). Существуют различные типизации знаков, одна из которых выделяет четыре типа знаков и знаковых систем: естественные, конвенциональные, вербальные, системы записи.

В проводимом исследовании важную роль играют именно группа конвенциональных знаков.

Конвенциональные знаки — искусственно созданные знаки, которым люди договорились приписывать определенное значение. Они могут быть совсем не похожи предмет, который обозначают, хотя это и не исключено. Существует три основных вида конвенциональных знаков — сигналы, индексы и символы. В том случае, когда конвенциональный знак каким-то образом соотносится с тем объектом или процессом, который он представляет, можно говорить о следующих подгруппах знаков: - Функциональные знаки. Объекты, основная функция которых ложиться в основу ассоциативной связи создаваемой ими. - Иконические знаки. Знаки-образы, внешний вид которых отражает облик обозначаемых ими вещей.

Условные обозначения используемые в инженерных областях можно отнести к разряду конвенциональных знаков. В большинстве случаев их внешний вид не связан представляемыми объектами. Причиной тому является тот факт, что сложность исполнения напрямую влияет на удобство использования и время затрачиваемое на их начертание. Таким образом главным минусом существующих УО является малая информативность и конвенциональность, что приводит к лишним тратам времени на заучивание соответствий между объектами и их обозначениями для каждой узкоспециализированной инженерной области.

Появление САПР систем устранило необходимость ручного изображения УО, что значительно сократило время на создание схем и чертежей, но не было привнесено каких-либо принципиальных изменений в механизм их применения в инженерных областях. Во много это связано с тем, что уже сложившиеся знаковые системы для каждой из специализированных областей препятствуют новым идеям, которые бы могли повысить эффективность процесса проектирования.

Комплексный подход предлагаемый автором настоящей работы к созданию УО для проектирования в сфере ТПП, предполагает создание знаков относящихся одновременно к функциональному и иконическому типам, для повышения наглядности и упрощения процесса возникновения ассоциативной связи между знаком и представляемым им объектом. Основным преимуществом результата использования данного подхода к разработке УО, является снижение порога вхождения специалистов из непрофильных областей при совместном проектировании. Во многом данный подход соответствует современным тенденциям в проектировании направленным на коллаборацию различных специалистов в одном информационном поле.

В процессе разработки методики особую роль сыграли знания касающиеся зрительного восприятия образов, в связи с тем, что наглядность во многом определяет эффективность разработанного образа. Зрительное восприятие (англ. visual perception) — совокупность процессов построения образа мира на основе сенсорной информации, получаемой с помощью зрительной системы[36]. Условно данный процесс можно разделить на следующие этапы: 1. определение важнейших контуров объектов, их границ и текстуры поверхности, когда внимание еще не фиксировано на каких-либо деталях; 2. фокусирование внимания на деталях, которые, в зависимости от их важности для целостного восприятия, могут быть просмотрены несколько раз, тогда как другие менее информативные остаются незамеченными. При анализе данной информации была проведена четкая параллель между процессом зрительного восприятия и абстрагированием. Абстрагирование — есть метод получения теоретически обобщенного представления чего-либо, сущность которого заключается в акцентировании внимания на более важных чертах рассматриваемого объекта в ущерб менее важным.

Степень абстрагирования характеризует количество информации, которое в итоге будет использовано в процессе создания обобщения. На рисунке 2.1 проиллюстрировано то, как степень абстрагирования может влиять на результат процесса. Абстрагирование может быть разделено на следующие виды: - изолирующее — основывается на целевой характеристике исследуемого объекта; - обобщающее — основывается на общих чертах множества, к которому принадлежит объект исследования; Рисунок 2.1 — Модели яблока, созданные с разной степенью абстрагирования - идеализирующее — основывается на реальном объекте с внесением необходимых, но нереальных черт

Исходя из этого был сделан вывод о том, что наглядность образа главным образом зависит от того, на сколько верно было осуществлено абстрагирование при его создании, потому как в процессе этого этапа разработчик осознанно делает ту, часть работы, которая должна была бы быть осуществлена процессами зрительного восприятия того человека, который будет работать с данным условным обозначением.

Но важным замечанием будет то, что противоположенным наглядности в таком случае является свойство информативности. Чем больше упрощается образ, тем меньше он в себе несет информации.

Таким образом при создании зрительного образа должен преследоваться оптимальный баланс между информативностью и наглядностью образа. Это заключение легло в основу нескольких этапов разработанной методики.

Качество интерактивности элементы проекта производства смогли приобрести вместе с появлением САПР. Одним и вариантов использования возможностей современной техники является использование трехмерных моделей в качестве хранилища знаний с интуитивным доступом. Building information model (BIM) — информационная модель здания. Концепция BIM появилась в 70ых и раскрывается в следующих работах[8, 9, 3]. Термин BIM, в котором BIM понимается сегодня, впервые был упомянут в 1986 году в работе [1]. В настоящее время данная технология понимается следующим образом. Технология BIM (Информационное Моделирование Зданий) предполагает построение одной или нескольких точных виртуальных моделей здания в цифровом виде. Использование моделей облегчает процесс проектирования на всех его этапах, обеспечивая более тщательные анализ и контроль. Будучи завершёнными, эти компьютерные модели содержат точную геометрию конструкции и все необходимые данные для закупки материалов, изготовления конструкций и производства строительных работ[9].

Взаимное расположение объектов при проектировании цеха

Во втором случае, те кто составляют эскизную планировку существующего производства, не всегда могут предоставить именно те размеры, от тех баз, которые удобнее будет использовать проектировщику планировки. иллюстрирует возможные варианты того, каким образом могут быть заданы размеры между элементами проектируемого цеха. Данная иллюстрация показывает то, что в таком случае, будет необходимо иметь несколько копий одной и той же трехмерной модели с разным расположением локальной системы координат.

Предлагаемая методика использует комплексный подох к решению поставленной задачи. – Этап создания трехмерной модели: 1. построение модели следует производить в области локальной системы координат, где X 0, Y 0, Z 0; Рисунок 3.5 — Пример выполнения эскизного плана цеха Разные варианты одной и той же трехмерной модели с разным положение локальной системы координат 2. необходимо выполнить условие, при котором разрабатываемая модель должна касаться всех трех координатных плоскостей. – Этап загрузки трехмерной модели в САПР ПП: 1. проверить, выполнены ли условия проектирования модели; в противном случае, доработать модель при помощи автоматизированной подпрограммы; 2. во время загрузки модели, найти вершины с максимальными значениями координат по каждой из координатных осей и сохранить данную информацию, как параметры длинны, ширины и высоты. Этап позиционирования трехмерного представления в САПР ПП: 1. реализовать алгоритм автоматизированного создания точек соединения; 2. реализовать алгоритм ручного задания точек соединения.

На практике, применение вышеизложенной методики, практически полностью скрыто внутри механизмов работы самой программы. Пользователь соприкасается лишь с последним этапом, когда расставляя трехмерные представления на сцене, делает он это с помощью точек соединения, которые располагаются в углах габаритного контейнера.

В распоряжении проектировщика есть два способа позиционирования: – совмещение точек соединения; – задание пары точек, расстояние которого будет отображаться интерактивно, что позволит выдержать необходимые размеры. Помимо этого, сами точки, могут быть двух типов: – сгенерированы автоматически; – заданные вручную. Рисунок 3.7 — Соединительные точки

Гибкость и основное преимущество предложенного подхода[80] заключается в том, что при хранении модели на программном уровне нет необходимо держать в памяти компьютера лишь шесть переменных, три из которых будут являться координатами модели в глобальной системе координат, а оставшиеся три будут характеризовать длину, высоту и ширину. Данный подход предоставляет достаточное количество информации для задания точек соединения в углах габаритного контейнера объекта. Рисунок 3.8 — Соединительные точки в процессе позиционирования

Любое производство представляет собой комплексную систему, в которую входит не только оборудование, но и множество разных подсистем. Среди них: коммуникации, освещение, вентиляция и так далее. Таким образом, виртуальный проект цеха всегда будет представлять из себя сложную модель, для работы с которой потребуются специальные инструменты.

В большинстве графических редакторов успешно используется методика слоев. Сущность данной методики заключается в том, что все объекты, участвующие в работе, имеют принадлежность к какой бы то ни было группе, в данном случае, именуемой слоем. Слово слой в данной тематике стало употребляться в связи с тем, что впервые данная методика была использована в двухмерных графических редакторах, имитирующих холст художника, на который слоями накладываются краски.

Возможность производить различные манипуляции с группами объектов, дает очевидные преимущества в работе. К примеру проектировщик, может сделать неактивным слой, который мешает видеть те участки виртуальной сцены, которые скрыты в связи со своим расположением. 1. ввести в систему классификацию объектов, которые могут присутствовать в производственном помещении; 2. реализовать возможность создавать пользовательские классы объектов; 3. присваивать всем трехмерным моделям, присутствующим в виртуальном цехе идентификаторы принадлежности к слою; 4. реализовать функционал для работы со слоями объектов.

На практике применение выше означенной методики может выглядеть следующим образом. На рисунке 3.9 показано то, как может выглядеть проект цеха в специализированной САПР. В проекте присутствую элементы систем вентиляции, освещения, коммуникации. Так же на трехмерной сцене присутствую стены, оконные проемы, дверь, стекла и производственное оборудование.

Далее приведены рисунки 3.10 и 3.11. В первом случае созданы оптимальные условия для расчета освещенности (включена прозрачность для всех слоев, кроме оборудования и источников света), во втором, для проектирования коммуникационной системы.

На третьем этапе проводимой работы, были решены две специфические задачи при разработке САПР цехов и производственных участков, а именно: – задача позиционирования объектов в виртуальном пространстве; – задача представления множества объектов на одной сцене. Для решения поставленных задач были разработаны методики, которые могут быть использованы при разработке САПР.

Формат трехмерных моделей

Чертеж детали - документ, содержащий изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля[40]. Поверхности изделия выполняются точно в соответствии с выбранным масштабом, после чего дополняются надписями с указанием точных размеров или иной информации. Соблюдение точного графического изображения требуется главным образом для правильной оценки геометрии детали и выбора последовательности операций обработки. Надписи наносятся с целью повышения эффективного восприятия чертежа и увеличения его информативности. Таким образом любой чертеж можно разбить на два взаимодополняющие друг друга составляющие.

Эволюцией двухмерного чертежа в современных условиях развития вычислительной техники стала трехмерная сцена с виртуальными моделями. Но не смотря на это принцип взаимодополнения наглядной графики информативными надписями по-прежнему сохраняется. Подробнее об этом говорилось во второй главе в описании методики создания элементов для эскизного проектирования. Таким образом любая современная система инженерного назначения должна обеспечивать возможность создания трехмерного текста.

Как было означено выше, было принято решение разрабатывать систему для web среды, что ставит ограничение в выборе языка программирования и графической библиотеки. WebGl является расширением интерпретируемого языка программирования JavaScript для работы с GPU и базируется на стандарте OpenGl ES 2.0[20]. Данный стандарт, уже исходя из его названия, предназначен для так называемых «встраиваемых систем», среди которых мобильные телефоны, планшеты и прочие. В связи с этим он был упрощен в сравнении со стандартом для персональных компьютеров, потому как перечисленные платформы не обладают соответствующими вычислительными мощностями. Таким образом данный стандарт не включает в себя механизм создания трехмерного текста. В связи возникла необходимость в реализации собственного механизма создания трехмерного текста.

После изучения состояния данной проблемы были сформулированы четыре возможных пути решения поставленной задачи[79].

Сторонние библиотеки

Согласно результатам поиска графическая библиотека three.js является самым распространенным решением поставленной задачи. Но главный минус подобного решения заключается в том, что использование сторонних библиотек всегда привносит в проект большое количество лишних зависимостей и потерь ресурсов. В случае с работой в web это особенно критично, так как ради одной функции клиенту придется скачивать целую библиотеку.

Надписи в виде текстур

Принцип данного подхода заключается в следующем. Создается отдельный двухмерный графический контекст, в котором генерируется растровое изображение с требуемым текстом. Далее оно используется в качестве текстуры для одного полигона. Результат такого подхода похож на табличку с надписью. Основной минус заключается в том, что невозможно сделать фон надписи прозрачным без потерь в качестве изображения надписи, не затратив большое количество дополнительных ресурсов. Это происходит потому как к любому тексту выводимому на экран на сегодняшний день применяется механизм AntiAliasing, суть которого заключается в том, что края букв немного размываются, что придает сглаженности символам. Размытие происходит за счет добавления прозрачности краям символов. Стандарт webgl при отрисовке каждого кадра не создает буфер глубины, за счет которого, можно было бы с легкостью сделать границы символов полупрозрачными. В таком случае придется для создания каждого кадра ранжировать все объекты сцены, чтобы получить корректную прозрачность, что приведет к существенным затратам ресурсов. Либо отрисовывать только непрозрачные участки символов, что приведет к значительному искажению изображения. На рисунке 4.1 показан получаемый результат.

Трехмерный шрифт из моделей Одним из возможных способов решения стало создание трехмерных моделей требуемых символов в стороннем графическом редакторе и загрузка их в разрабатываемую систему. В качестве редактора был выбран Blender в си Рисунок 4.1 — Потери качества изображения без возможности реализации механизма AntiAliasing лу его открытости и наличия возможности подключения любого шрифта для автоматического создания трехмерных моделей на его основе. Главным минусом данного подхода можно назвать отсутствие гибкости в процессе внесения возможных изменений. Если потребуется изменить сам шрифт, либо какой-то отдельный символ, придется повторить всю процедуру создания моделей с самого начала. На рисунке 4.2.

Текст в виде трехмерных сплайнов на основе векторного шрифта Оптимальным решением стало создание текста в виде сплайнов на основе векторного шрифта. Формат описания векторных изображения основан на расширяемом языке разметки (XML). Каждый символ в файле шрифта в таком формате представлен в виде: glyph glyph-name="I" unicode="I" horiz-adv-x="265" d=" M181 Oh-97v649h97v-649z" / , где glyph — наименование тега, glyph-name — наименование