CC BY
60
ИНТЕГРАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ САПР НА ОСНОВЕ ФОРМАТА 3DXML
Н.А. Шувал-Сергеев Научный руководитель - д.т.н., профессор Д.Д. Куликов
Проблема несовместимости форматов и связанные с ней сложности передачи данных о 3D модели в настоящее время является актуальной. Применение формата 3DXML способно решить вопрос о способе передачи информации о проектируемом объекте между конструкторско-технологическими системами.
Введение
В последнее время на отечественных производственных предприятиях широкое распространение получили российские CAD/CAM-системы, которые призваны уменьшить трудоемкость и сократить время на разработку конструкторской и технологической документации. Однако существующие возможности отечественных систем не способны обеспечить автоматизацию всех этапов технологической подготовки.
Современные конструкторские разработки основываются на 3D моделировании. Полученная в результате проектирования модель является базой для дальнейшей подготовки технологической документации. Проблемой, с которой сталкиваются на производстве, является невозможность использования данных о 3D модели без специального программного обеспечения. Большинство существующих форматов хранения и передачи данных между CAD/CAM/CAE-системами не всегда способны удовлетворять всем требованиям разработчика [1]. Основные сложности при передачи графической информации между системами связаны с:
(а) отсутствием или ограниченными возможностями трансляторов, обеспечивающих обмен данными;
(б) утратой информации при ее трансформации из одного математического представления в другое;
(в) разной интерпретацией правил чтения и записи форматов файлов;
(г) различными версиями форматов файлов и трансляторов.
Приведенные проблемы приводят к увеличению количества ошибок при проектировании, продлению сроков подготовки производства и т.д., что влечет за собой заметные экономические потери и существенно влияет на себестоимость продукции.
Основной целью данной работы является исследование возможности использования 3DXML формата в качестве основы получения данных о 3D модели объекта для дальнейшего использования их в конструкторско-технологических системах [2].
Почему 3DXML?
3DXML - универсальный формат, разработанный компанией Dassault Systemes в 2004 г. и предназначенный для обмена трехмерными моделями, созданными в различных САПР. Формат основан на XML (extensible Markup Language, расширяемый язык разметок) для быстрого и простого представления 3D информации [3]. В основе технологии этого языка, активно развивающейся в последние годы, лежит иерархичность структуры документа, разделенного на составные элементы.
Данные могут быть прочитаны и записаны c использованием стандартных инструментов и могут легко интерпретироваться приложениями. Проиллюстрируем применение XML на примерах.
- Широко распространенные браузеры (Internet Explorer, Mozilla и Opera) имеют возможность интерпретации XML.
- Современные ERP и PDM/PLM-системы имеют встроенные средства работы на языке XML (в широко известной системе Baan реализована оболочка Baan Open World, обеспечивающая универсальный XML-интерфейс между ERP-системами Baan и сторонними приложениями).
- СУБД Oracle обладает встроенными средствами для работы с документами XML [4].
В настоящее время ведутся активные разработки систем управления базами данных, работающими на основе языка XML.
В описании формата обеспечивается предустановленный набор признаков, которые всегда могут быть расширены для добавления пользовательских свойств и параметров модели, что обеспечивает практически неограниченные возможности для хранения специализированных данных.
Используя современные алгоритмы сжатия информации, этот формат позволяет пользователям создавать и передавать данные о модели, используя файл, который до 95% меньше, чем подобные файлы в существующих форматах. Например, модель, изображенная на рис. 1, в формате 3DXML занимает примерно 500 кБ памяти, в то время как представление этой же детали в формате IGES заняло бы несколько мегабайт.
А 3D XML Plajiei - [Uuad.Jd>:ml|
Select an object 01 a command I Quad
Ö- Aule Assembly [Awle Assembly.2) Wheel (Wheel 2) Axle [Axle.l I L Wheel (Wheel.1) 0- Steer Aule [Steer Aule 1)
I- Steer Wheel [Steer Wheel.1| 0- Aule Assembly (Ан1е Assembly.1) - ^Wheel [Wheel 2)
Л
Рис. 1. Модель автомобиля
Большинство современных приложений обмена конструкторской информацией используют удаленный доступ, поэтому скорость передачи данных через сеть, а соответственно, и размер файлов становится одним из важнейших параметров выбора способа хранения данных.
Описание модели
Основой для описания модели является ее геометрия. В XML файле она представляет собой набор примитивов. Поверхности тела описываются с помощью триад,
имеющих общие вершины, а ребра модели - с помощью ломаных линий. Для описания ребер в 3D объекте используется элемент Polyline (ломаная линия). Для того чтобы получить данные о геометрии этого элемента, необходимо в соответствующем XML файле модели найти тег <Edges>, в котором хранится информация об элементах Polyline. Информация о вершинах одной линии находится в теге <Polyline vertices> и записывается в виде перечисления координат (X,Y,Z) точек линии.
Чтобы описать поверхность в 3DXML применяется элемент Triangle (триада). Информация о геометрии триад находится в теге <Face triangles>, где хранятся ссылки на координаты, которые, в свою очередь, располагаются в тэге <Positions>. При заполнении поверхности модели вершины различных триад многократно совпадают друг с другом, что проиллюстрировано на рис. 2, где точка (0) является общей вершиной сразу четырех триад.
5
Рис. 2. Пример заполнения поверхности триадами
Такая форма записи способна значительно сократить объем хранимой информации за счет исключения возможности дублирования координат различных точек объекта. При этом следует отметить, что от количества триад зависит качество 3D модели при отображении ее программой-просмотрщиком.
Рассмотренный способ описания геометрии модели в XML файлах значительно облегчает интерпретацию внешними приложениями информации об объекте и обеспечивает точность передачи данных по сравнению со способами представления координат в других форматах. Например, в достаточно распространенном формате IGES внутренний способ представления элемента в системе может отличаться от того, как этот элемент представляется в самом формате [5]. В частности, дуга окружности в какой-то системе может быть определена через центр, радиус и начальный и конечный углы, но в IGES она определяется через центр, начальную точку и конечную точку. В этом случае специализированный IGES-конвертор должен выполнить преобразование с использованием параметрического уравнения дуги. Такое преобразование должно выполняться дважды (при прямой и обратной конвертации), причем каждый раз из-за ошибок усечения и округления значения параметров дуги искажаются. В 3DXML такой проблемы не возникает по причине того, что все точки модели имеют абсолютные координаты в единой системе.
Отдельное описание «каркаса» модели внутри файла позволяет приложениям-обработчикам быстро считывать координаты и, не используя дополнительных матема-
тических преобразований, представить данные для дальнейшей обработки. Это значительно экономит затрачиваемые вычислительные ресурсы.
Структура файла
Структура файла представляет собой дерево (пример на рис. 3), конечными элементами которого являются отдельные модели деталей, при необходимости объединенные в группы элементов.
Quad
Axle Assembly (Axle Assembly,2)
Wheel (Wheel,2) 1^ Wheel_ReferenceRep_ReferenceRep (Wheel_InstanceRep) Axle (Axle, 1)
1^ Axle_ReferenceRep_ReferenceRep (Axle_InstanceRep) □-"t; wheel (Wheel, 1)
I^ Wheel_ReferenceRep_ReferenceRep (Wheel_InstanceRep) 5teer Axle (5teer Axle. 1) Steer Wheel (Steer Wheel. 1)
5teer Wheel_ReferenceRep_ReferenceRep (Steer Wheel_InstanceRep) Q-"^ Axle Assembly (Axle Assembly. 1) Wheel (Wheel,2)
Wheel_ReferenceRep_ReferenceRep (Wheel_InstanceRep) Axle (Axle, 1)
Axle_ReferenceRep_ReferenceRep (Axle_InstanceRep) Q-t wheel (Wheel, 1)
Wheel_ReferenceRep_ReferenceRep (Wheel_InstanceRep) Chassis (Chassis, 1)
Chassis_ReferenceRep_ReferenceRep (Chassis_InstanceRep)
Рис. 3. Структура модели в ЗйХМЬ
В описание модели, помимо геометрических параметров, есть возможность включить данные о типе материала, а также любую другую информацию, необходимую разработчику.
Файл ЗБХМЬ (рис. 4) представляет собой 2ГР-архив, в котором хранятся файлы, описывающие структуру продукта, его геометрию, изображения текстур и сведения о материалах.
Рис. 4. Состав файла 3DXML
В одном 3DXML файле возможно описание не только модели детали, но и целой сборки, причем для каждого отдельного элемента сборки будет создан свой 3DRep-файл, описывающий геометрию модели, что значительно упрощает и ускоряет работу с файлом 3DXML внешним приложениям. Известно, что при подготовке производственного процесса зачастую приходится вносить изменения в элементы конструкторской документации [6]. Описанный выше способ представления информации о моделях сборки в 3DXML дает возможность вносить поправки и передавать информацию лишь об откорректированной модели или группе элементов, что значительно экономит время. Дополнительно это открывает широкие возможности для систематизации и хранения отдельных элементов в базах данных, поскольку в соответствии с концепцией CALS-технологий (Continuous Acquisition and Lifecycle Support), которые в последнее время получили широкое распространение, для отдельного предприятия необходимо наличие единого хранилища данных об изделии в электронном виде [7]. В противном случае затрудняется обмен данными между ними, делается невозможным сквозное автоматизированное отслеживание и контроль всех процессов проектирования изделий на предприятии, возникают дополнительные трудности при реализации обмена данными с серийными заводами. Возможность раздельного хранения также облегчает создание ассоциативных связей между разработанными 3D моделями и технологическими процессами. Применение сборок в 3DXML решает проблему передачи информации о конкретных моделях для их производства на станках с ЧПУ.
Заключение
Исследование проблемы передачи данных о 3D модели между различными системами показало, что использование формата 3DXML является наиболее выгодным на данный момент, поскольку этот формат имеет ряд преимуществ, таких как малый размер файла и простота интерпретации хранящихся в нем данных о модели. Основанный на XML, он позволяет удаленно корректировать необходимую часть модели без необходимости передачи всего элемента в целом. Возможность добавления в файл описания дополнительных параметров значительно облегчает адаптацию этого формата практически под любой тип производства. При передаче конструкторской документации на производство предприятия-соисполнители смогут отказаться от таких трудоемких и срочных работ, как чтение конструкторских спецификаций предприятия-разработчика, их интерпретация и ручной ввод в свою базу данных; соответственно исчезнут и связанные с этим ошибки.
Применение формата 3DXML позволяет получать данные о 3D модели объекта без использования специализированного программного обеспечения, а также дает возможность создания собственного программного продукта, способного передавать данные в конструкторско-технологические системы.
Литература
1. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). 1-е изд. - СПб: Питер, 2004. - 560 с.
2. 3DXML User's Guide, Dassault Systemes, 2007 - 76 с.
3. Хабибуллин И. Самоучитель XML. - СПб: БХВ-Петербург, 2003. -336 с.
4. Джермейни Д., Бурлесон Д. Oracle Application Server 10g. - М: Лори, 2006. - 398 с.
5. «Initial Graphics Exchange Specification IGES 5.x», U.S. Product Data Association US PRO, 2006. - 754 с.
6. Колотнев В., Винничек Л., Кочетова Г. Организация и управление производством. -М.: Колос, 2005. - 464 c.
7. Бакаев В.В., Судов Е.В., Гомозов В.А. Информационное обеспечение, поддержка и сопровождение жизненного цикла изделия. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 624 с.
