Организация структур технических и программных средств проектирования и
управления. Средства взаимодействия, структуры данных, международные стандарты
Интерактивные 3D системы в виртуальных производственных
корпорациях и их структурная организация[1]
Е.И.
Артамонов,
зав.
лаб. №18, д.т.н., проф., eiart@ipu.ru,
ИПУ РАН, г. Москва,
С.Н. Григорьев,
ректор, д.т.н., проф., rector@stankin.ru,
МГТУ «Станкин», г. Москва
Проведен анализ
использования интерактивных системы объемного геометрического моделирования в
виртуальных производственных корпорациях на различных этапах жизненного цикла
производимого продукта. Рассмотрены
особенности построения таких
систем, описаны примеры
их использования.
Usage of interactive three-dimensional modeling
systems in virtual manufacturing corporations at various stages of life-cycle
of manufacturing product is analyzed. The features of building such systems is
considered, the examples of their usage are described.
Введение
Процессы технологического перевооружения машиностроительных
предприятий и освоения производства
связаны с решением проблемы подготовки и переподготовки кадров (рабочих
и специалистов), обладающих специальными знаниями в области современных
информационных технологий в машиностроительных производствах. Особенно это
касается высокотехнологичного программного обеспечения на основе объемных
геометрических моделей и средств виртуальной реальности, предназначенного для
решения задач подготовки и адаптации рабочих кадров и специалистов в условиях
виртуальных производственных корпораций. Достигнутый мировыми лидерами
качественный уровень развития такого рода систем значительно опережает уровень
современных российских разработок. Зарубежные системы постоянно совершенствовались и
совершенствуются, обеспечивая пользователям принципиально новые возможности по
автоматизации производства, в числе которых известны методы и средства
параллельной и территориально распределенной работы над создаваемым изделием
для всех этапов его жизненного цикла (ЖЦ) с использованием глобальной сети Internet, средства для создания интерактивных электронных
технических руководств (ИЭТР), интерактивных тренажеров и обучающих систем,
средств автоматизированной настройки станков с ЧПУ и роботов, и т.п. [1].
Далее рассмотрим особенности виртуальных производственных
корпораций, приведем примеры возможной структурной организации программного
обеспечения с использованием интерактивных средств 3D систем геометрического
моделирования.
Виртуальные производственные корпорации
В начале 90-х годов ХХ века появилось понятие CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) - технология непрерывного компьютерного сопровождения
изделия на всех этапах его жизненного цикла от маркетинга до утилизации.
Предполагается, что под весь ЖЦ изделия создается некоторая структура
соисполнителей (со своими интеллектуальными и производственными ресурсами),
наилучшим образом приспособленная для реализации проекта, то есть «наилучшая»
по набору критериев таких, как сроки
реализации каждого из этапов, стоимость, качество и т.п. С учетом
использования новых информационных технологий эти структурные образования могут
быть территориально распределены и связаны между собой только через глобальную
информационную сеть. Такую структуру принято называть «виртуальной
производственной корпорацией» (ВПрК), состоящей из определенного набора
виртуальных предприятий (ВПр). Под ВПрК
понимается временная межпроизводственная кооперация ряда юридически независимых
предприятий, которая создается в короткий срок и функционально взаимодействует
на основе современных информационных технологий [2].
Основными отличительными особенностями CALS –
технологии являются:
·
на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ) изделия создается электронная
документация;
·
для всех этапов ЖЦ создается и используется единая обобщенная модель
изделия;
·
разработаны и используются международные стандарты на форматы и структуры
данных по обмену информацией об изделии;
·
осуществляется параллельная и территориально распределенная работа над
создаваемым изделием.
На рис. 1 приведен пример
структуры ВПрК, показана возможная функциональная декомпозиция на отдельные
ВПр, относящиеся к классам: разработчиков или владельцев программного
обеспечения (ПО), а также разработчиков 2D или 3D геометрических
моделей, технологической подготовки
производства для станков с ЧПУ и роботов, и, собственно, производство конечного
продукта. В классах выделены конкретные функции, которые могут быть реализованы
одним или несколькими ВПр. Обмен информацией между ВПр осуществляется через
глобальную сеть Internet.
рис. 1
Важными, на наш взгляд,
проблемами по организации ВПрК являются выбор лучшей по определенным критериям
функциональной декомпозиции ВПрК на конкретные виртуальные предприятия (см.,
например, [3]) и выбор лучшей
структурной организации программного обеспечения (ПО) [4], обслуживающего отдельные
этапы ЖЦ производимого ВПрК конечного продукта.
Далее
остановимся более подробно на второй проблеме.
Выбор лучшей структурной
организации ПО интерактивных 3D систем
В
качестве примера рассмотрим структурную организацию программного
обеспечения интерактивных средств 3D систем геометрического
моделирования (далее будем называть «Система»), используемых для создания
интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР), интерактивных
тренажеров и обучающих систем, средств автоматизированной настройки станков с
ЧПУ и роботов. Эти средства охватывают три этапа ЖЦ: конструкторское
проектирование, технологическую подготовку производства и изготовление изделия.
рис. 2
На рис. 2 представлены следующие основные
части «Системы»:
УП – управление последовательностью вызова отдельных подпрограмм,
реализующих локальные алгоритмы (ЛА);
ИВ – средства интерактивного взаимодействия;
ЧТstl – чтение описания объемной геометрической модели
(ОГМ) в формате *.stl;
БДstl – формирование и управление
базой данных ОГМ, представленных в формате *.stl;
ПР – преобразование ОГМ из формата *.stl в формат *.wrl;
ГПР – геометрические преобразования ОГМ
в формате *.wrl;
ОР – расслоение ОГМ (*.vrl) , на выходе отдельные
слои ОГМ представляется в одном из 2D форматов, например, *.х;
БДС – формирование и управление базой данных слоев ОГМ
в формате *.х;
ОЭ – операции по построению эквидистанты в слоях ОГМ;
ОШ – штриховка слоев.
ФТФ – формирование терминальных файлов слоев ОГМ в
формате конечного станка
БДТФ – создание базы данных терминальных файлов слоев
ОГМ.
Сложность 
программной реализации каждой из частей «Системы» в большей
степени определяется объемами занимаемой
памяти, зависящими от используемых способов кодирования данных. Для структур данных, представленных в
примере, параметр вычисляется следующим образом:
(1)
(2)
(3)
, (4)
где
,
,
,
- объемы памяти, занимаемые 3D и 2D
геометрическими моделями в форматах: VRML, STL, X, Gerber;
, 
, 
,
- объемы памяти порядковых индексов вершин треугольников и
их нормалей, списки координат вершин треугольников и нормалей;
- объемы памяти,
занимаемые коэффициентами управлением цветом, освещенностью, полупрозрачностью
и т.п.
n – количество треугольников в
модели;
s – количество
контуров в 2D модели.
-
объемы памяти, занимаемые 
– ыми ломаными линиями
(контурами) с 
количеством отрезков в
каждой ломаной линии;
- объемы
памяти, занимаемые штриховыми линиями;
- объемы
памяти, занимаемые ломаными линиями, эквидистантными к контурам.
На
начальных этапах ЖЦ может использоваться кодирование 3D моделей в языке VRML (Virtual
Reality Modeling Language). В этом случае информация представлена символьными
файлами данных с расширением *.wrl. На этих же этапах может
использоваться кодирование информации в языке STL (STereoLithography). Файлы с
расширением *.stl могут быть символьными и бинарными.
На
этапе технологической подготовки производства помимо 3D моделей используются их
плоские (2D) сечения или проекции в условном формате файла с
расширением *.х.
Точность
представления информации на этапе изготовления изделия может быть меньше и
определяется характеристиками внешних устройств: станков с ЧПУ, роботов,
фотоплоттеров, 3D принтеров и т.п. Обычно на этом этапе используются
форматы языков CL DATA, GERBER, HPGL, POSTSCRIPT и т.п. Что касается точности,
то, например, в постпроцессоре языка GERBER (*.gbr)
диапазон изменения выходных координат составляет +/- 999999.
Таблица
1
Практические
оценки сложности программной реализации
|
|
|
|
|
*.wrl |
*.stl |
*.gbr |
|
Символьный 2,77 Мб |
Символьный 7,65 Мб Бинарный 1,81 Мб |
Символьный 28,6 Кб |
В табл. 1 приведены практические оценки сложности программной реализации для системы послойного синтеза деталей
из металлических порошков [5]. В первой строке таблицы указаны 3D и 2D модели деталей,
во второй – способ кодирования, в третьей – объемы занимаемой моделями памяти.
рис.3. ОСМ, соответствующая
трем программным реализациям для алгоритмов каждого из этапов ЖЦ.
Варианты лучшей структурной организации «Системы»
могут быть получены последовательным объединением отдельных ее частей (ЛА) в смысле реализации их в одной ЛС,
построении на каждом этапе объединения ЛА обобщенных сетевых моделей (ОСМ)
«Системы» и выборе кратчайшего пути в ОСМ. На
рис.3 показана ОСМ для вариантов, когда
для каждого из трех алгоритмов функционирования на этапах ЖЦ соответствует своя программная реализация. На рис.4 – ОСМ,
показывающая интеграцию в одной программной реализации всех указанных
алгоритмов.
рис.4. ОСМ,
соответствующая реализации всех алгоритмов в одной программной реализации.
На рисунках
вершинами ОСМ являются структуры данных, посредством которых можно представить
3D-модель, ребрами – качественные показатели реализации
соответствующих операций, эллипсами – полные графы, в которых возможны взаимные
преобразования структур данных. Каждому ребру назначается вес, исходя из
теоретической оценки сложности кодирования в соответствии с выражениями (1) -
(4). Лучшие реализации в ОСМ отмечены стрелками.
Сравнивая полученные
структуры можно заметить, что первый вариант отличается возможностью независимого
использования отдельных подсистем на разных этапах ЖЦ производимой продукции и,
соответственно, каждая подсистема требует меньше памяти, отводимой под модели
данных.
Таким образом,
специализированные интерактивные системы на основе средств виртуальной реальности
представляют собой новое направление в развитии CAD/CAM/PDM систем. Такие системы
могут эффективно использоваться в виртуальных производственных корпорациях на разных
этапах жизненного цикла производимого продукта.
Литература
1. Григорьев С.Н., Мартинов
Г.М. Перспективы развития распределенных гетерогенных систем ЧПУ децентрализованными
производствами // Автоматизация в промышленности. 2010. №5. С.4-8.
2.
G. Schuh, K. Millarg, A.
Goransson. Virtuelle Fabrik: neue Marktchansen durch dynamische Netzwerke. Munchen,
Wien: Carl Hanser Verlag, 1998.
3.
Артамонов
Е.И., Ничипорович Т.А. Структурная организация виртуальных производственных корпораций // Автоматизация в промышленности.
2010. №5. – С. 50-53.
4.
Артамонов Е.И. Интерактивные системы. Синтез структур – М.: Инсвязьиздат,
2010. – 185 с.: ил.
5. Артамонов Е.И., Балабанов А.В., Ромакин В.А., Сизова Л.Н. Разработка графического редактора для послойного лазерного синтеза // Материалы 10-й междунар. конф. «CAD/CAM/PDM-2011». - М.: ООО «Аналитик», 2010. - С.75-77.