Виртуальное 3D-моделирование автоматизированных технологических операций для станков с ЧПУ

А.В. Балабанов,
с.н.с., к.т.н., fca07@mail.ru,
В.А. Ромакин,
с.н.с., к.т.н., insight.ru@gmail.com,
ИПУ РАН, г. Москва

В статье представлен метод разработки специализированных программных систем 3D-моделирования автоматизированных технологических операций для станков с ЧПУ. Метод содержит формальные процедуры анализа и синтеза структур систем 3D-моделирования. На примере разработки программной системы для 3D-моделирования операций замены режущего инструмента обрабатывающего центра показано применение разработанного метода на практике.

Управление современным технологическим оборудованием с ЧПУ требует высокой профессиональной подготовки оператора, которая может быть достигнута при помощи использования в процессе обучения компьютерных тренажеров на основе 3D-моделей [1, 2] в сочетании с практической работой на реальном оборудовании.

Взаимодействие оператора с оборудованием должно осуществляться при помощи компьютерной системы управления (КСУ) с развитыми средствами 3D-моделирования [3], которые позволяют повысить эргономичность КСУ и уменьшить количество ошибок оператора.

Задачи 3D-моделирования, решаемые при создании современных компьютерных тренажеров и КСУ, предъявляют повышенные требования к сложности алгоритмов решения этих задач, а также к быстродействию и объему памяти вычислительных систем. Поэтому, разработка компьютерных тренажеров и КСУ на основе 3D-моделей должна проводиться с применением формальных методов синтеза структур этих систем (например, [4]).

В этой связи, в статье предложен метод разработки специализированных программных систем 3D-моделирования автоматизированных технологических операций для станков с ЧПУ, основанный на формальных процедурах систематизации возможных вариантов реализации алгоритмов 3D-моделирования при помощи построения обобщенных сетевых моделей структур систем и выборе наилучшего варианта структурной организации системы при помощи поиска кратчайшего пути в сети по критериям сложности программной реализации структур данных 3D-моделей. Далее показано применение разработанного метода на примере создания специализированной программной системы для 3D-моделирования операций замены режущего инструмента в обрабатывающем центре (далее – программная система).

Таблица 1

Примеры 3D-моделей обрабатывающего центра из разработанной базы данных

Соотношение для оценки сложности программной реализации структур данных 3D-моделей
Примеры 3D-моделей из БД

На первом этапе создания программной системы разработана база данных 3D-моделей обрабатывающего центра в форматах *.x_t и *.x_b (символьная и бинарная версии формата ядра геометрического моделирования Parasolid), получены аналитические соотношения для оценки сложности программной реализации их структур данных. Примеры 3D-моделей из разработанной базы данных приведены в табл. 1.

В табл. 1 использованы следующие обозначения: – сложность программной реализации структур данных 3D-моделей в форматах *.x_t и *.x_b; – сложность программной реализации структур данных сборок, подсборок, деталей, граней, ребер, вершин и атрибутов (цвет, толщина линии, прозрачность и т.д). Ниже приведены аналитические соотношения для оценки сложности программной реализации структур данных основных геометрических объектов в форматах *.x_t и *.x_b.

где объемы памяти, необходимые для выполнения операций со структурами данных геометрических объектов.

Параметрами структуры данных вершины являются координаты точки в пространстве.

Параметры ребра зависят от его типа. Рассмотрены четыре типа ребер: прямая, окружность, эллипс и B-сплайн. Параметрами прямой являются точка и вектор в пространстве. Окружность и эллипс задаются центром, нормалью к их плоскости, осью x, принадлежащей плоскости окружности или эллипса, и радиусами. Параметрами сплайновой кривой являются точки управления, узловые векторы и базисные функции.

Параметры поверхности также зависят от ее типа. Рассмотрены плоские, цилиндрические, конические, сферические, тороидальные и B-сплайновые поверхности. Параметрами плоскости являются точка в пространстве, нормаль к плоскости и ось x, принадлежащая плоскости. Цилиндрические и конические поверхности задаются точкой на их оси вращения, единичным вектором, совпадающим с осью вращения, радиусом основания и осью x, принадлежащей плоскости основания. Для конуса дополнительно заданы параметры в виде синуса и косинуса половины угла. Параметрами сферы и тора являются центры, две перпендикулярные оси и радиусы. Параметрами поверхности на основе B-сплайнов являются точки управления, узловые векторы и базисные функции для осей U, V [5].

Таблица 2

Формальное описание структур данных 3D-моделей типовых элементов конструкции

обрабатывающего центра

Наименование структуры данных	Формальное описание
Сборка	struct ASSEMBLY_s { int highest_node_id; int lowest_node_id; union ASM_PARAM_GROUP_u asm_parameters_groups; union OPER_PARAM_GROUP_u oper_ parameters _groups; union SUB_ASSEMBLY_u *pSub_assembly; union PARTS_u *pParts;}; typedef struct ASSEMBLY_s *pAssembly;

Продолжение таблицы 2

Подсборка	struct SUBASSEMBLY_s{ int highest_node_id; int lowest_node_id; union ASM_PARAM_GROUP_u asm_ parameters_groups; union OPER_PARAM_GROUP_u oper_ parameters_groups; struct ASM_PARAM_s asm_ parameters; struct OPER_PARAM_s oper_ parameters; union SUB_ASSEMBLY_u *pSub_assembly; union PARTS_u *pParts;}; typedef struct ASSEMBLY_s *pAssembly;
Деталь	struct PART_s{ struct ASM_PARAM_s asm_ parameters; struct OPER_PARAM_s oper_ parameters; struct GEOMETRY_s part_geometry;}; typedef struct PART_s *pPart;

Сложность программной реализации структур данных 3D-моделей сборок, подсборок и деталей вычисляется на основе формального описания этих структур, которое приведено в табл. 2. Формальное описание структуры данных основной сборки (сборки обрабатывающего центра) содержит максимальный и минимальный идентификаторы составляющих элементов (highest_node_id и lowest_node_id), массивы параметров сборки (asm_parameters_groups) для составляющих элементов и массивы параметров движения (oper_ parameters _groups) для моделирования операций замены режущего инструмента, массивы указателей на наименования составляющих элементов (pSub_assembly и pParts). Формальное описание структур данных подсборок содержит максимальный и минимальный идентификаторы составляющих элементов (highest_node_id и lowest_node_id), массивы параметров сборки (asm_parameters_groups) и массивы параметров движения (oper_ parameters _groups) для составляющих элементов, массивы параметров сборки (asm_parameters) и параметров движения (oper_ parameters) для включения в основную сборку, массивы указателей на наименования составляющих элементов (pSub_assembly и pParts). Формальное описание структур данных деталей содержит массивы параметров сборки (asm_parameters), массивы параметров движения (oper_ parameters) для включения в подсборку или основную сборку, описание геометрии детали (part_geometry).

а) б)

рис.1 Алгоритмы виртуальной сборки 3D-модели обрабатывающего центра (а) и 3D-моделирования операций замены инструмента (б)

На втором этапе создания программной системы разработаны алгоритмы виртуальной сборки (рис. 1а) и 3D-моделирования операций замены инструмента (рис. 1б). Графические представления разработанных алгоритмов приведены на рис. 1а и 1б слева в виде деревьев, вершинами которых являются структуры данных 3D-моделей [6], полученные в результате выполнения над ними операций аффинных преобразований (move), булевых операций объединения (U) и разности (\). Ребра представляют собой качественные показатели реализации вышеуказанных операций. На рис. 1а и 1б справа показаны реализации алгоритмов на специально разработанном языке виртуальной реальности в формате *.dbd.

На третьем этапе, на основе алгоритмов, представленных на рис. 1, выполнен синтез структуры программной системы. Для этого, произведены операции со структурами алгоритмов, которые заключаются в их декомпозиции на локальные алгоритмы (ЛА), систематизации реализаций локальных алгоритмов в виде обобщенной сетевой модели (ОСМ), содержащей множества локальных структур (ЛС), последовательном объединении ЛА по определенным правилам с построением на каждом шаге объединения новой ОСМ, соответствующей новому множеству возможных вариантов реализации алгоритмов программной системы, сравнении полученных вариантов и выборе наилучшего варианта при помощи поиска кратчайшего пути в ОСМ на основе критериев сложности программной реализации структур данных 3D-моделей [4, 6].

рис. 2 Обобщенная сетевая модель структуры программной системы

ОСМ структуры программной системы для 3D-моделирования операций замены режущего инструмента в обрабатывающем центре приведена на рис. 2. Вершины ОСМ представляют собой структуры данных 3D-моделей, ребра – качественные показатели реализации операций над структурами данных. Эллипсами обозначены преобразователи структур данных; каждый эллипс представляет собой связный граф.

ОСМ включает множество ЛС для реализации ЛА чтения/записи, построения и преобразования структур данных 3D-моделей в формате .*x_t (в качестве примера, в ОСМ приведена символьная версия формата), анализа и редактирования структур данных, виртуальной сборки и 3D-моделирования движения механизмов при замене режущего инструмента. Пунктирной линией обозначен кратчайший путь в ОСМ, в соответствии с которым разработана структурная схема программной системы.

рис. 3 Структурная схема программной системы

Структурная схема программной системы представлена на рис. 3. Схема включает: базу данных 3D-моделей в форматах *.x_t и *.x_b (БД1); преобразователь Пр1 из форматов *.x_t и *.x_b в формат блока АР; блок анализа и редактирования структур данных 3D-моделей (АР); преобразователь в формат языка моделирования виртуальной реальности VRML (Пр2); базу данных 3D-моделей в формате *.wrl (БД2); преобразователь во внутренний формат программной системы *.gld (Пр3); базу данных 3D-моделей, представленных во внутреннем формате программной системы (БД3); подсистему виртуальной реальности (ПВР), состоящую из универсального геометрического процессора (УГП), блока специализированных вычислений (БСВ) и блока интерактивной сборки (ИНСБ); блок интерактивного ввода (БИВ); базу данных параметров сборки (БД ПС); базу данных параметров движения (БД ПД); преобразователи в предтерминальные файлы (Пр 4.1…Пр 4.N) устройств вывода.

3D-модели, построенные в CAD-системах и преобразованные в форматы ядра геометрического моделирования Parasolid (*.x_t, *.x_b), перемещаются в БД1. Далее выполняется преобразование структур данных 3D-моделей в формат блока АР, где выполняется поиск и исправление ошибок геометрии, образовавшихся в результате выполнения операций построения и преобразования в CAD-системах. Преобразование структур данных во внутренний формат программной системы *.gld из формата блока АР выполняется через промежуточный формат *.wrl ввиду наличия у авторов статьи готовых преобразователей Пр2 и Пр3. Преобразование во внутренний формат программной системы выполняется однократно на начальных операциях алгоритма виртуальной сборки. Поэтому, разработка специального преобразователя из формата блока АР в формат *.gld является нецелесообразной в рамках решаемой задачи 3D-моделирования.

После завершения формирования БД3 выполняется виртуальная сборка обрабатывающего центра и 3D-моделирование операций замены режущего инструмента при помощи подсистемы виртуальной реальности ПВР, используя параметры из БД ПС и БД ПД.

а) б)

рис. 4 Интерфейс пользователя программной системы при выполнении виртуальной сборки обрабатывающего центра (а) и 3D-моделировании операций замены режущего инструмента (б)

Рассмотрим работу программной системы на примере автоматизированной виртуальной сборки обрабатывающего центра и 3D-моделирования операций замены режущего инструмента. На рис. 4а представлен процесс стыковки штока к манипулятору. Сначала модель штока извлекается (стрелка 1) из БД3 в виртуальное пространство сборки изделия, где уже расположена 3D-модель частично собранного обрабатывающего центра. Затем шток перемещается к заранее выбранному оператором месту стыковки (стрелка 2), причем система определяет маршрут перемещения таким образом, чтобы шток не пересекался с другими моделями виртуального пространства. Далее выполняется ориентация штока относительно манипулятора (стрелка 3) с целью последующего совмещения захвата манипулятора с позицией подачи инструмента в магазине. И, наконец, шток перемещается вдоль посадочного отверстия до сопряжения с корпусом манипулятора (стрелка 4). На рис. 4б представлен фрагмент процесса замены режущего инструмента. Шток с захватом перемещается вверх, извлекая фрезу из магазина (стрелка 1), затем поворачивается с целью последующего совмещения патрона шпиндельного узла с фрезой (стрелка 2), а шпиндельный узел перемещается вниз с целью захвата фрезы.

Таким образом, разработан метод создания программных систем виртуального 3D-моделирования автоматизированных технологических операций для станков с ЧПУ. Получены аналитические соотношения для оценки сложности программной реализации структур данных 3D-моделей в форматах ядра геометрического моделирования Parasolid. Построена обобщенная сетевая модель специализированной программной системы для 3D-моделирования операций замены режущего инструмента в обрабатывающем центре, разработаны алгоритмы системы и выполнен синтез структуры их программной реализации, созданы программные средства.

Литература

1. Artamonov E.I., Balabanov A.V., Romakin V.A. Structured Design of Interactive Electronic Technical Manuals Based on Virtual Reality Means / Preprints of the IFAC Conference on Manufacturing Modelling, Management and Control (MIM ’2013). Saint-Petersburg: IFAC Publication, 2013. P. 1114-1118.

2. Артамонов Е.И., Ромакин В.А., Балабанов А.В. Операции на виртуальных моделях объектов машиностроения // Материалы 36-й Междунар. конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе (IT+S&E*09)». – Открытое образование, 2009. – С. 70-72.

3. Артамонов Е.И., Ромакин В.А., Балабанов А.В. Программные средства виртуальной настройки роботов // Автоматизация в промышленности. 2010. № 5. С. 54-55.

4. Артамонов Е. И. Интерактивные системы. Синтез структур – М.: Инсвязьиздат, 2010. 210 с.

5. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики. – М.: Мир, 2001. 604 c.

6. Балабанов А. В. Синтез структур специализированных интерактивных систем на основе объемных геометрических моделей и средств виртуальной реальности // Информационные технологии в проектировании и производстве. – 2013. №3. С. 23-29.