Технология структурно-семантического 3D-моделирования в комплексном процессе конструирования

УДК 658.512.22:004.896

Д. Э. Цыганков

Технология структурно-семантического 3D-моделирования в комплексном процессе конструирования

Представлен подход к автоматизации конструкторской деятельности, основанный на биективном соответствии между структурой изделия и процессом построения его электронной 3D-модели. Предлагаемый подход позволяет обеспечить сохранение семантической целостности конструкторского решения и сократить временные ресурсы, затрачиваемые на его формирование.

Ключевые слова: конструкция изделия, 3D-модель, семантическая наполненность, СДО-система, техническое проектирование, конструкторская структура, модульный принцип, конструктивный элемент, семантическое подобие.

Введение

Благодаря развитию информационных технологий в производственной отрасли (в частности, линейки CAE/CAD/CAM-систем) упрочняется положение электронных 3D-моделей в жизненном цикле изделия (ЖЦИ) [1]. Это касается, прежде всего, стадии опытно-конструкторских работ (ОКР), на которой 3D-мо-дель в полной мере представляет собой конструкторское решение [2].

Очевидно, что на этапе технического проектирования (конструирования) важнейшую информацию содержит именно конструкция изделия, отображаемая современными CAD-системами следующим образом:

CAD : Констр

где Констр(Изд) - конструкция изделия;

МодИд - 3D-модель изделия.

Однако в процессе формирования конструкции изделия в CAD-системе пользователь (инженер-конструктор) оперирует только абстрактным функционалом используемой САПР, что приводит к потере исходного конструкторского замысла и, как следствие, к ограничению возможностей повторно использовать и модифицировать сформированную 3D-модель. Таким образом, фиксация конструкторского замысла в 3D-модели является актуальной задачей. Электронная 3D-модель изделия В современных САПР 3D-модель является лишь следствием выполнения базовых операций (БО) - простейших проектных опе-

© Цыганков Д. Э., 2017

раций, предоставляемых функционалом используемой CAD-системы. Базовые операции фиксируются в так называемом дереве построения 3D-модели, являющемся линейной последовательностью взаимосвязанных БО. Тогда

CAD: [J БО, ^ Мод ,

n i=l

где J - последовательность выполнения

(=1

БО, формирующих маршрут конструирования, т. е. набор БО, обеспечивающий построение 3D-модели изделия.

В рамках технологии Constructive Solid Geometry, реализованной практически во всех современных САПР, 3D-модель может быть представлена в виде системы

m

CAD: £КЭГk ^ Мод ,

k=1

где КЭГk - конструктивный элемент геометрии, определяемый в работе [3] как объект с предопределенным поведением и структурой данных, задаваемых при выполнении проектной процедуры. Эквивалентом КЭГ в англоязычной литературе является термин фичерс (англ. features).

Информативность 3D-модели

Информативность 3D-модели заключается в ее способности отображать информацию об изделии, актуальную для текущего этапа ЖЦИ _ [4]. Отображение конструкции изделия - это | основной функционал CAD-системы, пред- о ставляющий собой проектное решение в виде ^ 3D-модели, которое обладает законченностью | конструкции: |

МодИд = Констр(Изд). -

Ж

При этом все конструкторские данные, отображаемые 3D-моделью, содержатся именно в базовых операциях, иерархически упорядоченных в дереве построения 3D-модели:

Дерщц: Констр

(=1

где ДерИд - дерево построения 3D-модели.

В работе [5] отмечается, что дерево построения полностью описывает 3D-геометрию и является основным источником информации о ней.

Наибольшая информативность 3D-моде-ли на этапе ОКР достигается при отображении конструкторской структуры изделия (КСИ). Такая 3D-модель уже в полной мере является компонентой цифрового макета изделия [6].

В национальном стандарте Российской Федерации ГОСТ Р 53394-2017 конструкторская структура определяется как структура (система), состоящая из конструктивных и функциональных элементов, и связей, определяющих их взаимную входимость [7]. Такое системное определение структуры изделия соответствует модульному принципу, впервые представленному в работе [8]. Конструкторская структура изделия 5 Согласно определению, приведенному выше, и данным работы [9], можно выделить следу-Ц ющие конструктивные элементы (КЭ): Т • рабочие элементы (выполняют регла-

ь ментированные функции изделия); < • базовые элементы (координируют одно

« изделие относительно других); ^ • соединительные элементы (материаль-

» но связывают изделия в процессе сборки друг

* с другом);

щ • технологические элементы (реализуют

о технологические процессы изготовления изде-о лия и его последующей сборки).

* Одни и те же КЭ могут выполнять функ-¡Е ции рабочих, базовых и соединительных элементов. Наиболее оптимальный вариант - объединение в конструкции рабочих элементов с

^ базовыми при сокращении количества соединительных [9]. 53 Каждый конструктивный элемент обла-

^ дает семантической наполненностью, заключающейся в конструктивно-функциональном

назначении, частично присутствующем в его децимальном номере и наименовании. Следовательно, КЭ обладает смыслом в заданной предметной области, которая определяется финальным изделием уровня «Узел» («Сборочная единица»). На основе физического смысла задается наименование КЭ и выделяются атрибуты, определяющие его информационный 3D-образ, значения которых являются характеристикой конкретного экземпляра КЭ.

С учетом структурно-функциональной декомпозиции конструкции изделия на КЭ и состава 3D-модели из последовательности БО (2) отображение дерева построения вида {БО,-}п ^ {КЭ]}т в СЛБ-системе может быть реализовано двумя методиками, детально рассмотренными в работе [10]. Принцип структурного соответствия В основе принципа структурного соответствия при отображении КСИ в дереве построения 3D-модели лежат три критерия, впервые выделенные в работе [10].

1. Фиксация и отображение конструкторского замысла в рамках 3D-модели.

2. Оперирование смысловыми единицами, актуальными в заданной предметной области в процессе формирования 3D-модели.

3. Легкость и удобство процесса построения и повторного использования 3D-модели.

Предложенный автором данной статьи принцип структурного соответствия является по своей сути биективным отображением конструкторской структуры проектируемого изделия (как набора КЭ) в дереве построения его 3D-модели:

ДерИд ={СМО,|СМОг ^КЭг}, ^ = \~п,

где СМО - семантическая макрооперация построения 3D-объекта, соответствующего одному КЭ;

п - количество КЭ в конструкции проектируемого изделия.

СМО - упорядоченная последовательность БО, формирующая результирующий 3D-объект конструктивного элемента, определяемая по формуле

т

СМО, = и БО}.

]=1

Дерево 3D-модели построения проектируемого изделия представлено на рис. 1.

Рис. 1. Отображение конструкторской структуры изделия в дереве построения его 3D-модели: 1 - СМО^; 2 - целостная единица; 3 - ^ КЭГ„, v = 1, q; 4 - U БОj, j = 1, t; 5 - структурно-семантическая композиция

Основная идея принципа структурного соответствия заключается в информационно-смысловой композиции базовых операций CAD-системы согласно формуле (6) до уровня семантической макрооперации со строгим соответствием вида СМО ^ КЭ. Так, конструкторская структура изделия Стр(Изд) и дерево построения 3Б-модели ДерИд являются равно-мощными как множества:

Таким образом, преимущества рассмотренных в статье [10] подходов реализованы во взаимно однозначном соответствии между СМО и КЭ, способствующем фиксации конструкторского замысла в процессе построения 3Б-модели.

На рис. 2 представлено предлагаемое отображение структуры изделия уровня «Деталь» - корпуса из состава микрополоскового модуля СВЧ.

Как видно на рис. 1, дерево построения 3D-модели уже не представляет собой последовательность абстрактных БО, а имеет фиксированный конструкторский смысл, отображая структуру проектируемого изделия. Семантическая макрооперация Механизм обобщения базовых операций до уровня семантических единиц впервые описан в работе [10]. Его главной целью является повышение информативности процесса построения 3D-модели в САПР за счет перехода от абстрактных базовых операций к СМО, несущим фиксированный конструктивно-функциональный смысл в заданной предметной области.

Структура СМО представлена на рис. 3. На выходе СМО формируется класс семантических конструктивных элементов геометрии - КЭГSem, отображающих элементы конструкции изделия как составные части 3D-модели. СМО - это композиция БО. С учетом записи (6) она описывается как

И

СМОj < пар^ > = U БО, < парБ° >,

q=1

Sem,: БО„ • ^ ¡tr\

где пар,- 1 и пар^ q - параметры у-й СМО и q-й БО соответственно.

Семантическая макрооперация наследует все параметры базовых операций, входящих

в ее состав. При этом пользователь задает наг Sem:

бор семантических параметров пар,- ', которые описывают j-ю СМО и обладают конст-

. XXXX.741642.xxx Корпус (Деталь) Отсек под плату микрополосковую

[в| Выборка под крышку

Рис. 2. Структурно-семантическое представление детали «Корпус»

ф о о.

I-

Ü о

Э

те

0

о см

ч-

О!

<

I

со

0 ^

СО Л

1 О.

<и

3

и <и со

см ч-ю

с?

см ч-ю см

(П (П

БО,

СМО,

алгСБОО г-

~^Адг

А, 2

у + 1

БО,

Л

7 + 1

Л, л

/2,

БО„

{пар™0-}

Знач

КЭГ

Класс КЭГ5"

А

Зет

(бо,);=1

Рис. 3. Структура семантической макрооперации: Алг(СМО,.) - алгоритм реализации г-й СМО; Алг(БОп) - внутренний алгоритм реализации п-й БО; Знач(пард) - значение д-го параметра, описывающего п-ю БО; Форм - формируемые выходные данные, парСМО - д-й параметр, описывающий .-ю СМО

рукторским смыслом, ассоциативно связывающим все парБ°' между собой. Важнейшее значение в структуре СМО имеет алгоритм ее реализации Алг(СМО.). В зависимости от входных параметров данный алгоритм регламентирует выстраивание базовых операций в определенные последовательности (маршруты конструирования), обеспечивающие формирование экземпляра конструкторского решения. Такая последовательность записывается в виде:

КЭГ8;т = БО! и БО2 и... и БОИ.

В рамках одной СМО предусмотрено обобщение таких последовательностей до уровня класса семантического подобия. Семантическое подобие Как критерий класса конструкторских решений семантическое подобие основано на конструктивно-функциональных свойствах реального изделия уровня «Узел». В общем случае семантическое подобие подразумевает геометрическую (параметрическую) и структурную (топологическую) вариативность конструкторских решений. Реализовать одновременно оба типа вариативности в стандартном функционале СЛБ-системы не представляется возможным.

Обобщаемые в одной СМО маршруты конструирования, отличающиеся значениями параметров, количеством БО и их составом,

обеспечивают структурно-геометрическую вариативность выходных данных на уровне конструктивного элемента геометрии. Для обеспечения семантической вариативности (с сохранением конструкторского замысла) в алгоритм СМО закладываются правила и условия их выполнения. От условий зависит корректность входных данных в плане их физического смысла в предметной области. Правила имеют более сложную структуру, обеспечивая древовидность СМО. В работе [11] они обозначены термином «продукционные правила» и представляют собой условную связку «ЕСЛИ - ТО».

Множество условий и правил позволяет реализовать в одной СМО класс подобных по конструктивно-функциональному назначению КЭ. Все маршруты конструирования входящих в данный класс КЭ обобщаются до единой древовидной структуры. Тогда экземпляр класса КЭ формируется следующим образом:

КЭГ^ = БО? и(БО2 п... п БОт )и...

...и

где т - номер конструкторского маршрута, который определяет формируемый КЭ уникальным набором конструктивно-функциональных параметров и атрибутов.

Представление 3D-модели в виде последовательности СМО обеспечивает структурно-геометрическую вариативность конструкторского решения. Это достигается посредством обращения к СМО как к самостоятельному модулю, ассоциативно связанному с остальными, что позволяет сохранять семантическую корректность конструкции.

3D-модели деталей типа «Корпус», приведенные на рис. 4, отличаются и геометрией, и структурой, при этом обобщаются по признакам семантического подобия в класс «Корпуса микрополосковых модулей СВЧ».

Геометрическая вариативность представленных на рис. 4 корпусов обеспечивается различными значениями семантических параметров, приведенных в таблице. Все указанные параметры задаются при построении конструктивно-функциональной основы в виде отсека под плату микрополосковую.

Рис. 4. Класс семантически подобных изделий уровня «Корпус»: а - деталь 1; б - деталь 2; в - деталь 3

Таблица

Семантические параметры деталей

Параметры Деталь 1 Деталь 2 Деталь 3

Ширина w, мм 52,0 62,2 52,0

Длина ^ мм 52,0 48,2 52,0

Высота корпуса h, мм 16,8 12,5 16,8

Внутренний радиус г, мм 3,0 2,5 3,0

Толщина стенок t, мм 3,2 4,0 3,2

Толщина основания d, мм 7,5 3,0 7,5

Структурная вариативность корпусов (см. рис. 4) обеспечивается различными наборами и типами конструктивно-функциональных фрагментов: отверстием под разъем коаксиальным, лапками монтажными и др.

Структурно-геометрическая вариативность 3D-моделей деталей, входящих в состав сборочной единицы, позволяет выбирать класс семантически подобных узлов. Задаваемые

алгоритмом СМО правила могут включать установку сопряжений в составе сборочной 3D-модели. Это позволяет привязывать компоненты не к абстрактным геометрическим, а к структурным элементам друг друга как в задаче формирования, так и модификации сборочной 3D-модели.

На рис. 5 представлены семантически подобные узлы - экземпляры класса «Микро-полосковые модули СВЧ», сформированные в ходе структурно-геометрической модификации корпусов (деталей) (см. рис. 4). Узлы имеют следующие семантические параметры: Узел 1

Сборочных единиц..........................................9

Деталей..........................................................12

Стандартных изделий...................................12

Узел 2

Сборочных единиц........................................14

Деталей..........................................................17

Стандартных изделий...................................16

Узел 3

Сборочных единиц..........................................8

Деталей..........................................................14

Стандартных изделий...................................18

Рис. 5. Класс семантически подобных изделий уровня «Узел»: а - узел 1; б - узел 2; в - узел 3

v о о.

I-

ü о

Э

те

0

о см

ч-

О!

<

I

со

0 ^

СО та

1

.

<и

3

и <и со

см ч-ю

с?

см ч-ю см

(П (П

Заключение

Предложенная автором методика представления 3D-модели в САПР нацелена на повышение информативности последней с одновременным снижением трудоемкости ее построения и затрачиваемых временных ресурсов. Отличиями предлагаемого подхода являются сохранение конструкторского замысла в задачах формирования и модификации конструкторского решения в виде 3D-модели, а также обеспечение его семантической целостности. При использовании данного подхода устраняется необходимость оперирования конструктивными элементами геометрии, привязанными к конкретной САПР, и восстанавливается конструкторская структура проектируемого изделия по семантическим макрооперациям. Именно СМО являются основным конструкторским действием, позволяющим при описании 3D-модели уйти от абстрактных геометрических элементов к реальным элементам конструкции изделия.

Эффективность предложенного подхода доказана при работе с 3D-моделями, отличающимися геометрической сложностью. Таким моделям соответствуют изделия, обладающие сложной функциональной структурой, например рассмотренные в качестве примера компоненты микрополосковых модулей СВЧ.

Следующим шагом является разработка библиотеки СМО под конкретный класс проектируемых изделий, содержащей функции создания, хранения, вызова, редактирования и удаления СМО. Если с точки зрения пользователя-конструктора СМО являются целостными (неделимыми) единицами, то в данной библиотеке будет задаваться их внутренняя структура и правила.

Автор выражает благодарность рецензентам настоящей работы за ряд полезных замечаний, способствовавших устранению неточностей и повышению ее качества. Список литературы

1. Методологические основы проектирования сложных наукоемких изделий и принципы построения интегрированной информационной среды на базе CALS-технологий / А. А. Ви-

чугова, В. Н. Вичугов, Е. А. Дмитриева и др. Томск: Том. политехн. ун-т, 2013. 180 с.

2. Антипин А. В., Носкова Е. Е. Интеграция САПР при конструировании электронной аппаратуры // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2013. Т. 1. № 9. С. 192.

3. Малюх В. Н. Введение в современные САПР. М.: ДМК Пресс, 2010. 192 с.

4. Бабанин В. С. Методика создания кон-структорско-технологической модели детали в среде САВ-системы // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2014. Т. 57, № 8. С. 21-25.

5. Варакин А. А., сост. Использование САПР SolidWorks в конструкторско-технологиче-ском проектировании электронных средств. Ч. 1. Основы создания трехмерных моделей. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2009. 52 с.

6. Лихачев М. В., Шангина Е. А. Применение технологии функционального цифрового макета изделия на этапе предконт-рактного проектирования космического аппарата // Решетнёвские чтения. 2013. Т. 1, № 17. С. 24-26.

7. ГОСТ Р 53394-2017. Интегрированная логистическая поддержка. Термины и определения. Введ. 2017-07-01. М.: Стандартинформ, 2017. 28 с.

8. Базров Б. М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение, 2001. 368 с.

9. Латыев С. М.Конструирование точных (оптических) приборов. СПб.: Политехника, 2007. 579 с.

10. Похилько А. Ф., Цыганков Д. Э. Отображение функциональной структуры проектируемого изделия в дереве построения его 3В-мо-дели // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19, № 1-2. С. 424-427.

11. Евгенев Г. Б., Кокорев А. А., Пиримяш-кин М. В. Метод генерации 3В-моделей в продукционных базах знаний // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 4 (661). С. 38-48.

Поступила 06.12.17

№

Цыганков Денис Эдуардович - инженер-конструктор второй категории Акционерного общества «Ульяновский механический завод», аспирант кафедры «Прикладная математика и информатика» Ульяновского государственного технического университета, г. Ульяновск.

Область научных интересов: средства и методы автоматизации конструкторской деятельности, моделирование и проектирование микрополосковых СВЧ-устройств.

Structural semantic 3D modeling technology in the integrated design process

The paper presents an approach to computer-aided design based on a bijective correspondence between product structure and the process of developing its digital 3D model. The approach proposed makes it possible to retain the semantic integrity of a design concept and reduce development time.

Keywords: product design, 3D model, semantic integrity, CAD system, engineering design, engineering bill of materials, modular design, structural element, semantic similarity.

Tsygankov Denis Eduardovich - Designer Engineer of the second rank, Joint Stock Company Ulyanovsk Mechanical Plant, post-graduate student, Department of Applied Mathematics and Information Technology, Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk.

Science research interests: computer-aided design facilities and methods, simulation and design of microstrip microwave devices.