Разработка модуля параметрического построения моделей на базе AutoCAD

УДК 004.42

РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ

НА БАЗЕ AUTOCAD

В.Ф. Барабанов, Н.И. Гребенникова, А.М. Нужный, В.В. Сафронов

В статье рассмотрен вопрос разработки модуля параметрического построения твердотельных моделей для графического редактора AutoCAD 2015. В основе разработки лежит универсальный алгоритм преобразования геометрических моделей в параметрические, базирующийся на анализе DXF-файлов. Предложенный подход позволяет выполнить декомпозицию сложной твердотельной модели и сформировать параметрические описания отдельных графических примитивов, входящих в состав модели.

Модуль предназначен для расширения базовых возможностей параметрического твердотельного моделирования, реализованных в графическом редакторе AutoCAD в виде динамических блоков. Основным недостатком этого инструмента является поддержка только поверхностных моделей. Создание твердотельных параметрических моделей при помощи динамических блоков в AutoCAD 2015 не предусмотрено.

Программа выполнена с использованием интерфейса прикладного программирования графического редактора AutoCAD и реализована в виде модуля универсальной автоматизированной информационной системы. Модуль позволяет выполнять параметризацию готовых твердотельных моделей для повышения удобства их повторного использования. Применение сформированных при помощи модуля параметрических моделей дает возможность за короткое время выполнить анализ различных конструктивных схем и избежать принципиальных конструкторских ошибок. При проектировании системы максимально реализован принцип модульности, позволяющий по мере необходимости расширять ее функционал без существенной корректировки ранее созданных модулей

Ключевые слова: твердотельные модели, параметризация, алгоритм, AutoCAD

Введение

Параметрическое представление

трехмерных моделей является наиболее эффективным инструментом моделирования на сегодняшний день. Практически все современные САПР обладают теми или иными средствами параметрического моделирования, как двумерного, так и трехмерного. В AutoCAD инструментарий параметрического

моделирования реализован в виде динамических блоков, позволяющих создавать параметрические поверхностные модели. При этом актуальной остается задача параметризации уже существующих твердотельных моделей.

1. Постановка задачи По экспертным оценкам, до восьмидесяти процентов узлов и деталей, вновь разрабатываемых изделий, не претерпевают существенных изменений в конфигурации, производится лишь изменение их геометрических параметров. конструкторских САПР

модифицировать проектируемое повторно использовать его уже параметрами, но имеется также

Множество позволяют изделие и с новыми ряд систем

Барабанов Владимир Федорович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: bvf@list.ru

Гребенникова Наталия Ивановна - ВГТУ, канд. техн.

наук, доцент, e-mail: g-naty@yandex.ru

Нужный Александр Михайлович - ВГТУ, канд. техн.

наук, доцент, e-mail: nam14@mail.ru

Сафронов Виталий Владимирович - ВГТУ, канд. техн.

наук, доцент, e-mail: vitolik@bk.ru

(AutoCAD, ProgeCAD и т.д.), не обладающих полноценными средствами параметрического построения моделей. Разработка

автоматизированной системы

параметрического моделирования с

использованием твердотельных моделей на базе AutoCAD позволяет решить проблему параметризации моделей для этой системы.

Одним из наиболее эффективных типов 3D-моделей, используемых в конструкторских САПР, является твердотельная модель объекта, позволяющая создавать пространственную модель объекта и генерировать по ней полный набор графической конструкторской документации. Такие модели могут быть переданы в любую расчетную программу для анализа прочностных или других свойств детали.

В графическом редакторе AutoCAD, начиная с версии 2006, средства параметрического моделирования

представлены динамическими блоками. Динамические блоки — это параметрические графические примитивы, позволяющие динамически изменять определенные параметры посредством операций со специальными треугольными "ручками". Пользователь может не только создавать компактные библиотеки с параметрическими графическими блоками, но и настраивать их «по месту». В настоящее время преобразование в динамические блоки возможно только на основе двумерных блоков, что существенно сужает перечень выполняемых задач и

ограничивает возможности использования трёхмерного моделирования.

2. Модуль формирования параметрических моделей на базе AutoCad

На практике проектировщику очень часто приходится иметь дело с моделями, имеющими одинаковые конфигурации, но отличающимися геометрическими пропорциями и размерами. Для повышения эффективности решения этой задачи предназначен автоматизированный модуль генерации параметрических

твердотельных моделей, реализованный в составе универсальной автоматизированной информационной системы [1], представленной на рис. 1.

Модуль построения параметрических трёхмерных моделей наиболее тесно взаимодействует с блоком, обеспечивающим работу с графическими базами данных (ГБД), так как почти вся необходимая информация для построения моделей располагается в базе данных [2].

Рис. 1. Функциональное взаимодействие модулей универсальной автоматизированной информационной системы

Ниже перечислены основные

функциональные возможности модуля:

извлечение из ГБД качественной (размеры, материал) и количественной (перечень деталей) информации о трёхмерной модели;

- извлечение из ГБД графической информации, представленной в виде растрового изображения трёхмерной модели;

- построение параметрической модели на основе полученной информации (табличная параметризация);

- изменение геометрических

пропорций с сохранением конфигурации по 3 осям (функция масштабирования);

корректировка полученной

информации и построение на основе новых данных параметрической модели

(геометрическая параметризация);

визуализация параметрических

моделей в режиме предварительного просмотра;

экспорт параметрических моделей в систему графического проектирования AutoCAD;

анализ чертежа, в который осуществляется экспорт модели (типы слоёв, типы линий, толщина линий и т.д.);

возможность задания у

параметрической модели таких свойств как: слой, тип и толщина линий и т.д.;

возможность размещения

параметрической модели на новом слое с автоматическим созданием этого слоя.

После извлечения геометрической модели из ГБД, работа с ней может вестись в одном из режимов, перечисленных на рис. 2.

Рис. 2. Варианты использования геометрической модели

Модель можно использовать без каких-либо изменений в режиме «Как есть», то есть, после выбора модели из базы данных она напрямую экспортируется в открытый в графическом редакторе AutoCAD чертеж для последующей работы с ней.

Режим «Масштабирование»

подразумевает, что модель может быть пропорционально увеличена или уменьшена по одной, нескольким или всем координатным осям (X, Y, Z). Данный режим позволяет изменить только геометрические размеры модели в целом, геометрические пропорции сохраняются.

Режим «Параметризация» является основным режимом модуля. Именно при его использовании происходит переход от геометрической модели к параметрической. Этот режим предоставляет возможности как табличной, так и геометрической параметризации.

Важным отличием режима

«Параметризация» от режима

«Масштабирование» является то, что, при масштабировании изменяются геометрические пропорции всей детали целиком, и она либо уменьшается/увеличивается (одинаковый

коэффициент по трём осям), либо растягивается (разные коэффициенты).

При параметризации также сохраняется общая геометрическая конфигурация, но

появляется возможность частичной её трансформации за счет изменения размеров или числа отдельных деталей в конечном изделии, вплоть до полного их вырождения или замены на другие аналогичные.

Режимы параметризации, представленные в модуле, являются наиболее

распространенными в настоящее время [3]. Табличный тип параметризации - это базовый тип, который является неотъемлемой частью любой системы, связанной с параметрическим моделированием. Модель создаётся на основе таблицы параметров. В разработанной программе эти параметры извлекаются из базы данных. Затем эти данные подвергаются проверке на корректность и полноту. Если данные не соответствуют предъявляемым требованиям, то осуществляется повторный запрос к базе данных. Если проверка прошла успешно, то пользователю предоставляется выбор: либо сгенерировать окончательную модель и экспортировать её в графический редактор AutoCAD, либо в режиме предварительного просмотра увидеть получившуюся модель, оценить её, а затем решить стоит ли экспортировать, или нет.

Второй тип параметризации является более гибким и мощным механизмом реализации требуемых задач, что делает его сложней как с точки зрения математических расчетов, так и со стороны программной реализации. Но, в конечном итоге, геометрический тип параметризации сводится к табличному (как и любой другой тип параметризации), так как любая модель перестраивается по ряду определённых значений, а этот ряд и есть таблица параметров, характеризующих модель. К проверке на корректность и полноту добавляется проверка геометрических размеров и пропорций, дабы избежать получения принципиально

некорректных моделей.

После прохождения всех проверок пользователь может, как и в случае с табличной параметризацией, либо экспортировать полученную модель в AutoCAD и уже средствами этого редактора продолжить работу, либо воспользоваться функцией предварительного просмотра модели. Схема описанного алгоритма приведена на рис. 3.

3. Обоснование эффективности разработанных средств

Для оценки актуальности разработки необходимо провести сравнительный анализ процессов получения параметрической модели с помощью стандартных средств

Режим «Табличная параметризация»

Режим «Геометрическая параметризация»

параметризации графического редактора AutoCAD и с помощью средств разработанного модуля.

В качестве стандартных средств параметрического построения в системе AutoCAD позиционируются динамические блоки. Это блоки, которые с помощью специальных элементов управления можно трансформировать по заранее заданным

параметрам. Важной особенностью

(

динамических блоков является то, что создание твердотельных стандартными представляется инструментарий поверхностные вытягиванием или оформленного

динамических блоков средствами AutoCAD не возможным. Этот

поддерживает только модели, получаемые

выдавливанием контура, виде двумерного

в

динамического блока [4].

Старт

3

Выбор геометрической модели из базы данных

Табличная параметризация

параметрической^^

Генерация параметрической

модели

Экспорт параметрической модели в графический редактор

<

Останов

3

Рис. 3. Формирование моделей с различными типами параметризации

Таким образом, создание параметрической трехмерной модели при использовании стандартных средств AutoCAD предполагает выполнение следующего набора действий:

- создание динамического двумерного блока, определяющего контур детали; при этом возможно использование как геометрической, так и табличной параметризации;

- выполнить вытягивание или выдавливание ассоциативной поверхности, заданной динамическим блоком с последующим замыканием нижней и верхней поверхностей контуров.

При этом преобразование блока в твердотельный объект приводит к утрате параметрически заданных характеристик. Процедура создания поверхностной модели на базе динамического блока приведена на рис. 4.

Формирование параметрической

твердотельной модели с использованием разработанного модуля начинается с поиска чертежа в графической базе данных, в которой хранится информация обо всех чертежах, находящихся на компьютере пользователя. В базе данных реализована функция поиска чертежа по конфигурируемому набору

критериев, что позволяет существенно повысить эффективность этой процедуры.

После поиска и выбора нужной модели производится ее открытие в AutoCAD. Затем возможно использование одного из режимов обработки, приведенных на рис. 2. В

зависимости от выбранного режима производится настройка различных свойств модели, начиная от изменения масштаба и заканчивая изменением геометрии отдельных деталей модели.

Рис. 4. Создание поверхностной модели на базе динамического блока

Для выполнения параметризации модели используется окно «Построение

параметрических моделей», позволяющее создать новую параметрическую модель, либо

корректировать параметры уже существующих параметрических моделей с последующей их генерацией (рис. 5).

Рис. 5. Окно «Построение параметрических моделей»

Поле «Наименование модели»

предназначено для отображения названия текущей модели, а также выбора модели из базы данных.

Координаты модели отражаются в блоке «Точка вставки» и задаются вручную, при помощи ввода значений в поля X,Y и Z, или указываются в интерактивном режиме на чертеже. Блокировка с кнопки «Указать на чертеже» снимается после подключения модуля к редактору AutoCAD.

Следует отметить, что пока пользователь не осуществил выбор модели, большинство элементов управления на форме будут не доступны.

В блоке «Режимы» выбирается тип использования геометрической модели. Активация режима «Параметризация» приведёт к появлению блока с режимами «Табличная параметризация» и «Геометрическая параметризация», а выбор режима «Масштабируемость», приводит к появлению блока «Масштаб по осям» (рис. 6).

Первоначальное заполнение параметров создаваемой модели осуществляется на основе анализа DXF-файла модели, содержащего пары кодов и ассоциированных значений [5]. Коды определяют типы значений, следующих за ними. Пары кодов и значений образуют секции, состоящие из отдельных записей. Среди этих записей содержатся сведения и о геометрической модели с составляющими её примитивами. Эти данные содержатся в секции ENTITIES, содержащей все графические объекты в чертеже.

Рис. 7. Результаты анализа геометрической модели

'Режимы

Г M«iwTi.6iipyеыо

Тип парам hji иг вида С Таблична* Г Г еоыетртччскм

Ргжнмы— Г Параметризация

ff ЫмштабируемОСт»;

Масштаб по осп

Рис. 6. Выбор режима параметризации

Информация о примитивах, используемая для дальнейшего анализа чертежа, и содержащая координаты точки вставки примитивов и их геометрические размеры (длина, ширина, высота и т.д.), заносится в таблицу «Анализ геометрической модели» (рис. 7). На основании этих данных формируется параметрическое описание модели.

После получения всех данных о примитивах геометрической модели и сведения их в таблицу, необходимо сопоставить их с реальными деталями. Наименование детали заносится в правую колонку напротив соответствующего примитива. Чтобы зафиксировать эти связи, следует нажать

кнопку «Инициализация примитивов». Получившуюся параметрическую модель в виде набора параметров можно сохранить для дальнейшего использования.

Редактирование параметров элементов модели осуществляется в окне «Параметры», представленном на рис. 8.

jtß Параметры

I о i в i—а

Наименование детали Радиус Высота Длина Ширина Тип примитива Коорд X Комрд Y Комрд Z

Левая дальняя ножка 1.1695 12.3765 Cylinder 12.213 -12.6079

Левая ближняя ножка 1.1 695 12.3765 Cylinder 12.6654 12.6355

Правая дальняя ножка 1.1695 12.3765 Cylinder 37.7Э4Э 12.2507

Правая ближняя ножка 1.1695 12.3765 Cylinder 37.7211 -12.5757

Столешница 2.327 35.1635 35.3051 В ок 24.9307 -0.0595

Сохранить изменения

Рис. 8. Окно редактирования параметров модели

Заключение

Анализ функциональных возможностей разработанного модуля позволяет утверждать, что его использование позволит значительно повысить эффективность системы AutoCAD в части параметрического моделирования. Гибкие и мощные средства параметрического моделирования твердотельных объектов, представленные в разработанном модуле, способны эффективно дополнить функционал динамических блоков AutoCAD.

Литература

1. Барабанов В.Ф. Разработка универсальной графической автоматизированной информационной системы / В.Ф. Барабанов, Н.И. Гребенникова, А.М. Нужный // Современные технологии в науке и образовании - СТНО-2016 : сб. тр. междунар. науч.-техн. и науч.-метод. конф. В 4 т.; под общ. ред. О.В.

Миловзорова. Рязань: Рязанский государственный радиотехнический университет, 2016. - С. 103-105.

2. Организация графических баз данных для интерактивного проектирования технологических процессов / В.Ф. Барабанов, А.В. Барабанов, Н.И. Гребенникова, В.В. Сафронов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10.- № 5. - С. 30-33.

3. Параметрическое моделирование [Электронный ресурс] : Режим доступа : World Wide Web. URL : http ://ru. wikipedia.org/wiki/

4. 3D динамические блоки в AutoCAD [Электронный ресурс] : Режим доступа : World Wide Web. URL : http://autocad-specialist.ru/video-uroki-autocad/3d-dinamicheskie-bloki-v-autocad.html

5. Проблемы трансляции графических данных CAD-систем / С.Л. Кенин, В.Ф. Барабанов, А.М. Нужный, Н.И. Гребенникова //Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 3.1. - С. 4-8.

Воронежский государственный технический университет

DEVELOPING THE MODULE FOR PARAMETRIC BUILDING OF MODELS BASED

ON AUTOCAD SYSTEM

V.F. Barabanov1, N.I. Grebennikova2, A.M. Nuzhnyj3, V.V. Safronov4

'Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail:bvf@list.ru 2PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail:g-naty@yandex.ru 3PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: naml4@mail.ru

4PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: vitolik@bk.ru

In the article the question of development of the module parametric build solid models for the graphic editor AutoCAD 2015. In the basis of development is a universal algorithm of transforming geometric models in a parametric, based on analysis of the. DXF files. The proposed approach enables the decomposition of complex solid models and generate a parametric description of the individual graphics primitives included in the model.

The module is designed to extend the capabilities of parametric solid modeling, implemented in the graphic editor AutoCAD dynamic blocks. The main disadvantage of this tool is to support only surface models. Create parametric solid models using dynamic blocks in AutoCAD 2015 is not provided.

The program is executed using the application programming interface of the graphic editor AutoCAD and is implemented as a module of a universal automated information system. The module allows you to parameterize the finished solid models to make them easier to reuse. The application generated using the module of parametric models makes it possible to carry out analysis of various constructive schemes and to avoid fundamental design errors. The design of the system is maximally implemented the principle of modularity, which allows, as necessary, to expand its functionality without significant adjustments of previously created modules

Key words: solid model, parameterization, algorithm, AutoCAD

References

1. Barabanov V.F., Grebennikova N.I., Nuzhnyj A.M. «Razrabotka universal'noj graficheskoj avtomatizirovannoj informacionnoj sistemy», Sovremennye tehnologii v nauke i obrazovanii - STNO-2016 : sb. tr. mezhdunar. nauch.-tehn. i nauch.-metod. konf. v 4 tomah.; pod obshh. red. O.V. Milovzorova. - Rjazanskij gosudarstvennyj radiotehnicheskij universitet, 2016. - pp. 103-105.

2. Barabanov V.F., Barabanov A.V., Grebennikova N.I., Safronov V.V. «Organizacija graficheskih baz dannyh dlja interaktivnogo proektirovanija tehnologicheskih processov», Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2014, Vol. 10, № 5, pp. 30-33.

3. Parametricheskoe modelirovanie [Jelektronnyj resurs] : Rezhim dostupa : World Wide Web. URL : http://ru.wikipedia.org/wiki/

4. 3D dinamicheskie bloki v AutoCAD [Jelektronnyj resurs] : Rezhim dostupa : World Wide Web. URL : http://autocad-specialist.ru/video-uroki-autocad/3d-dinamicheskie-bloki-v-autocad.html

5. Kenin S.L., Barabanov V.F., Nuzhnyj A.M., Grebennikova N.I. «Problemy transljacii graficheskih dannyh CAD-sistem», Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2013, Vol. 9, № 3.1, pp. 4-8.