Организация структур технических и программных средств проектирования и управления. Средства взаимодействия, структуры данных, международные стандарты

Специализированная компьютерная система 3D-моделирования сборки машиностроительных конструкций

Е.И. Артамонов,
зав. лаб., д.т.н, проф., eiart@ipu.ru

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 представлена специализированная компьютерная система 3D-моделирования сборки машиностроительных конструкций. Разработана структура системы, создана база данных 3D-моделей с теоретическими оценками сложности кодирования, выполнена программная реализация.

Специализированная компьютерная система 3D-моделирования сборки машиностроительных конструкций (далее – Система) предназначена для организации интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР) [1]. ИЭТР в 90-х годах прошлого столетия пришли на смену бумажным техническим руководствам и основаны на 3D-моделях представления конструкций.

Система выполняет автоматическую виртуальную сборку машиностроительных конструкций в реальном времени (в интерактивном режиме) с высокой точностью соединения и ориентации отдельных частей конструкции, а также с обходом препятствий в виде ранее собранных элементов этой конструкции и возможностью перехода на ручной режим, совмещенный с подсказками в автоматическом режиме.

рис. 1 Структурная схема специализированной компьютерной системы 3D-моделирования сборки машиностроительных конструкций

Структурная схема Системы представлена на рис. 1. Схема включает: базу данных 3D-моделей (БД CAD) в стандартных форматах обмена (STL, STEP, VRML и др.); блок анализа и редактирования структур данных 3D-моделей (АР); преобразователи во внутренний формат Системы (Пр1.1…Пр1.N); базу данных 3D-моделей (БД 3DС), представленных во внутреннем формате Системы (GLD); 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); преобразователи в предтерминальные файлы (Пр 2.1…Пр 2.N); устройства вывода (УВ).

3D-модели, построенные в CAD-системах и преобразованные в стандартные форматы (STL, STEP, VRML и др.), сохраняются в БД CAD. Пример 3D-моделей в форматах STL, IGES и VRML из БД CAD с соотношениями для теоретической оценки сложности кодирования структур данных этих моделей приведён в табл. 1RMLуктуры.

В табл. 1 использованы следующие обозначения:

– сложность кодирования 3D-моделей в форматах VRML, STL, IGES (только для поверхностей);

, , , – объёмы памяти порядковых индексов вершин и нормалей треугольников, а также списков координат вершин и нормалей треугольников;

– объемы памяти, занимаемые коэффициентами управления цветом, освещенностью, полупрозрачностью и т.п.;

, – объемы памяти типа ограничивающих кривых и типа конечных элементов, используемых в поверхности;

, – объемы памяти количества сегментов поверхности M x N;

, – объемы памяти координат точек управления поверхностью;

, , – объемы памяти коэффициентов бикубических полиномов.

Таблица 1

Примеры 3D-моделей из БД CAD

Соотношения для теоретической оценки сложности кодирования структур данных 3D-моделей из БД CAD
Примеры 3D-моделей из БД CAD

После считывания 3D-моделей из БД CAD, в блоке АР выполняется поиск и исправление ошибок геометрии, образовавшихся в результате выполнения операций построения и преобразования в CAD-системах. Отредактированные 3D-модели преобразуются во внутренний бинарный формат Системы при помощи Пр1.1…Пр1.N и накапливаются в базе данных БД 3DC. В подсистеме виртуальной реальности (ПВР) выполняются операции виртуальной сборки 3D-моделей из БД 3DС при помощи УГП, БСВ, ИНСБ и вспомогательных блоков БИВ и БД ПС для ввода параметров сборки (идентификаторов моделей, точек и векторов стыковки). Пример БД ПС приведен в табл. 2.

Таблица 2

Пример базы данных параметров сборки БД ПС

Операции виртуальной сборки предназначены для отработки конструкции на стадии проектирования, генерации управляющих программ для сборочных роботов на стадии технологической подготовки производства [2] и при изучении конструкций готовых изделий с целью освоения процедур их эксплуатации, ремонта и технического обслуживания [3].

рис. 2 Автоматическая виртуальная сборка

На рис. 2 приведен пример создания виртуальной сборки космической конструкции при помощи Системы. Первая операция сборки начинается с выбора нужной детали в меню справа при помощи наведения на нее курсора и последующего двойного нажатия левой клавиши мыши. Выбранная деталь устанавливается пользователем на свое посадочное место. Описанные выше операции выполняются до полной сборки изделия. При этом в левом окне на экране отображаются манипуляции с каждой устанавливаемой деталью, описанные на специально разработанном языке для последующего преобразования в системы команд реального технологического оборудования.

Литература

1. Григорьев С.Н., Артамонов Е.И., Балабанов А.В., Ромакин В.А. Система для создания специализированных интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР) / Труды XL Международной конференции IT+S&E'12. Запорожье: Открытое образование, 2012. Приложение к журналу "Открытое образование". С. 17-19.

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

3. 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.