CC BY
128
СЕМИНАР 9
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
Ю.А. Павлов, Р.А. Манюшин, П.К. Шайкин,
МГГУ МГГУ МГГУ
КОМПЛЕКС ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ХУДОЖЕСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Рассмотрена концепция проекта разработки интегрированной компьютерной системы для художественного дизайна, конструк-торско-технологичес-кого проектирования и подготовки производства декоративно-художественных и ювелирных изделий из поделочных и цветных камней, алмазов, искусственных кристаллов и других ценных материалов.
Перед отечественным камнеобрабатывающим, архитектурно-строительным, художественным, гранильным и ювелирным производствами наиболее сложной проблемой стала необходимость непрерывной адаптации к условиям рынка, который диктует все более высокие требования к выпускаемой продукции. Наилучшее соотношение между качеством и стоимостью изделий является в настоящее время наиболее важным показателем конкурентоспособности для каждого промышленного предприятия или фирмы.
Удовлетворить такие жесткие условия оптимальным образом может современное компьютеризированное интегрированное производство, замкнутое на рынок и гибко реагирующее на его конъюнктуру. Для предпринимателей важным являются следующие компоненты информационного обеспечения, определяющего основные фазы гибкого автоматизированного производства:
1) Анализ потребностей в различных изделиях на внутреннем и внешнем рынках;
2) Оригинальный художественный замысел новых изделий и их техническое проектирование;
3) Конструкторско-технологическая подготовка производства;
4) Организация и управление производством;
5) Продвижение изделий к потребителям.
В связи с таким комплексным подходом актуальным стало создание и использование интегрированных проблемно ориентированных компьютеризированных систем для поддержки производственных процессов, эффективно решающих поставленные задачи [1]. Наиболее трудоемкими из них являются:
♦ художественный дизайн конкурентоспособных изделий (ART);
♦ инженерное проектирование -расчет и моделирование новых изделий, а также специальной оснастки и инструмента для их изготовления (САЕ);
♦ конструкторская разработка изделий, специальной оснастки и инструмента (CAD);
♦ технологическая подготовка производства изделий (САМ).
Общие требования к компьютеризированной интегрированной системе ART-CAE-CAD-CAM определяются спецификой декоративно-художественных и ювелирных изделий, а также условиями их промышленного производства:
♦ представление конфигурации деталей в виде плоских и объемных тел произвольных геометрических форм со сложными рельефными поверхностями;
♦ использование различных художественных форм (рисунка, графики, пластики малых форм, скульптуры, модели и т.д.) для задания исходного образа, определяющего замысел изделия;
♦ применение различных материалов, в том числе металлов и минералов, природных и искусственных, пластических и анизотропных кристаллических, редких и драгоценных;
♦ широкое использование высоко
твердых трудно обрабатываемых материалов - алмазов, камней, стекла, керамики, других синтетических минералов и кристаллов;
♦ высокое качество воспроизведения оригинала с точки зрения передачи цвета, текстуры, точности получения геометрических форм и размеров (до сотых долей мм), шероховатости поверхности, измеряемой десятыми долями мкм (например, при полировании);
♦ постоянное совершенствование способов и методов изготовления (обработки, сборки, измерений) на основе нетрадиционных технологий и использования прогрессивного оборудования;
♦ высокий уровень автоматизации технологических процессов изготовления с использованием компьютерных систем программного управления оборудованием;
♦ многономенклатурный характер производства часто изменяющихся изделий, изготавливаемых небольшими партиями или индивидуально с возможностью произвольного задания такта выпуска при минимальных затратах.
Комплекс программных
средств ART-CAD-CAM - это интегрированная система художественного дизайна, конструкторско-технологического проектирования и изготовления разнообразных декоративно-художественных, архитектурно-отделочных или ювелирных изделий. Структура комплекса, выполненного по модульному принципу, показана на рис. 1.
Отдельные программные модули данного комплекса представляют собой автономные взаимосвязанные подсистемы, которые поддерживают работу инженера-дизайнера и технолога, никак не ограничивая их творческие
CORELDRAW! ^ ^ CAD
K1NETIX 3DSTUDIO МАХ
САМ
Ml 1 А 2,50 30-5D POWERMLL
Рис. 1. Структурная схема комплекса программных средств ART-CAD-CAM
способности. Основными функциональными возможностями программного комплекса являются: создание художественного образа изделия, конструирование сложных композиций и сцен, визуализация, расчеты физико-технических характеристик, векторизация растровых изображений, вычерчивание, параметризация графического представления, трехмерное моделирование на основе чертежей, тонирование, имитации текстуры материала, разработка конструкторской и технологической документации, получение управляющих программ для обработки деталей на станках с ЧПУ, проектирование специальной технологической оснастки и инструмента для изготовления деталей.
Система ART - это пакет программных модулей, предназначенных для создания, редактирования и различных преобразований художественно-графических файлов. Графические редакторы могут обеспечивать линейную графику, то есть быть векторно ориентированными, либо выполнять растровые изображения в разных художественных формах (рисунок, гравюра, живопись и т.д.). Рисование в графическом редакторе обычно сводится к созданию простейших форм-примитивов: прямоугольников, окружностей, эллипсов, многоугольников и спиралей. Затем созданные примитивы могут быть обработаны при помощи разнообразных инструментальных средств, включающих, в
108
частности, простановку размеров для полученных графических образов.
Очень часто возникает необходимость введения в компьютер созданных художником графических или живописных произведений искусств. Поэтому в данном пакете должны быть средства для сканирования рисунков, графики или фотографий. Созданные в графическом редакторе или введенные факсимильные изображения могут быть легко отредактированы и преобразованы: масштабированы, повернуты, наклонены, зеркально отражены, окрашены и т.д. Возможно выполнить булевы операции над полученными объектами - объединение, пересечение или исключение, а также операции размещения образов в определенном порядке.
Важной особенностью современных пакетов художественного дизайна является встраивание в них средств для создания трехмерных моделей объектов на основании их плоских графических изображений. Таким образом, удобно создавать барельефы, скульптуры, детали архитектуры, а также композиции и сцены из нескольких объектов, которые можно рассматривать под различными углами зрения с использованием множества световых эффектов. Генерация трехмерной (3D) модели возможна алгоритмическим методом с использованием стандартных преобразований плоских геометрических форм, а также объединением нужного количества типовых объемных тел -параллелепипеда, цилиндра, призмы, конуса, шара. Предусмотрены программные средства для создания текстуры изделия, имитирующей различные материалы: камни, металлы, ткани и т.п.
Графические редакторы системы ART обладают полностью настраиваемым интеллектуальным интерфейсом, позволяющим легко адаптироваться к потребностям
конкретного пользователя путем задания параметров программ при запуске. После создания дизайнерских документов они легко могут быть переданы в другие системы, поскольку ART поддерживает многие стандартные форматы векторной и растровой графики.
Система CAD позволяет выполнить интерактивное конструирование и расчет сложных изделий на основании их параметрических моделей, а также подготовить необходимую конструкторско-технологическую документацию в соответствии с ЕСКД и международными стандартами.
Процесс построения чертежа изделия в системе CAD аналогичен творчеству конструктора, создающего новое изделие за кульманом. Сначала чертеж строится в тонких линиях, а затем обводится основными линиями. Выполнение вспомогательных построений на экране дисплея эквивалентно автоматическому заданию отношений между линиями (параллельность, перпендикулярность, касание и т.д.). Таким образом, производя обычные действия по разработке чертежа на «электронном кульмане», конструктор создает параметрическую модель конструкции и фиксирует её параметры: расстояние, радиус, угол, тип и наклон штриховки, количество элементов и другие. Одновременно конструктивные параметры можно задавать алгоритмически при помощи переменных и формул. Параметры любых элементов чертежа: толщина линий изображения, величина стрелок размеров, значения шероховатостей, тексты технических требований и т.д., также могут быть заданы с помощью переменных, значения которых впоследствии можно изменять. При этом переменные, связанные между собой аналитически, могут использоваться для расчета всей группы изделий, которые соответствуют исходным параметрическим чертежам. При динамическом изменении выбранной переменной появляется возможность просмотреть, например,
ГИАБ
Системы ART - САМ
Токарная обработка
Круглошли фо вальная обработка
1
обработка
1
Плоскошли
фовапьная
обработка
Лазерная
резка
Проволоч
-ная
резка
“Ротонда” для изделий в форме тел вращения "Грань” для изделий призматической формы "Мозаика" для плоских контурных изделий “Рельеф" для изделий художественной резьбы “Скульптура" для сложных объемных изделий
Фрезерная гравировка
Лазерная
гравировка
Токар но-фрезерная обработка
]
Абразивно
-алмазная
обработка
Рис. 2. Классификация систем технологического проектирования и подготовки производства ART-CAM
движения созданной конструкции (режим анимации).
Параметрические возможности системы CAD распространяются не только на отдельные детали, но и на сборочные чертежи. Связывая параметры разных чертежей деталей (напри-мер, диаметры граненого камня и металлической оправы), легко получить параметрические сборочные чертежи ювелирных или художественных изделий. Изменение параметров сборочного чертежа изделия приводит к одновременной правке чертежей всех его составных частей. Со сборочным чертежом можно связать условия, при выполнении которых в него входили бы разные детали. При изменении параметров сборки автоматически будут изменяться спецификации и другие текстовые документы ЕСКД. Параметрический подход эффективно используется и при трехмерном твердотельном проектировании сложных изделий и их деталей. Основой для создания 3D- модели детали является ее чертеж, а также различные операции моделирования: вращение,
выталкивание, сглаживание, пересечения и другие. Для построения трехмерной твердотельной модели изделия можно использовать двухмерный сборочный чертеж с параметрическими связями, заложенными на этапе его создания.
Поведение пространственной модели определяется параметрическими связями чертежа, изменение которых приводит к модификации трехмерного изображения. Наоборот, возможности работы системы САЭ по слоям позволяет формировать любые типы чертежей на основе твердотельной 3Э-модели изделия. Создание трехмерной модели облегчает расчет массы, центровых и инерционных характеристик изделий.
Система САЭ имеет полный набор программных средств для создания и оформления конструкторско-технологической документации, а также параметрических библиотек графических элементов.
Для ввода и вывода графических файлов используются многие стандартные форматы: DWG, DXF, IGES, EMF и другие.
Система САМ - это программные средства, которые на базе 2-х и 3-мерных моделей объектов производства генерируют траектории инструментов, необходимых для формообразования их поверхностей, задают режимы обработки, разрабатывают управляющие программы для широкого списка станков с ЧПУ, осуществляют имитационное моделирование процесса обработки (по переходам), а также готовят технологическую документацию в соответствии с требованиями ЕСТ Д.
Для передачи данных используются стандартные 2Э- и 3Э-интер-фейсы (ЭХР, HPGL, РСХ, IGES и т.д.). В состав систем САМ могут входить собственные графические средства для редактирования плоских и объемных геометрических образов, создания рисунков, графиков и таблиц, формирования текстовых файлов. Широко используются различные встроенные инструментальные средства для разработки проблемно-ориентированных баз данных, каталогов, организации архивов документов, проектирования новых постпроцессоров для оборудования с ЧПУ, обеспечения фотореалистичной визуализации процесса обработки и для других задач пользователей.
Классификацию систем технологического проектирования и подготовки производства декоративно-художественных и ювелирных изделий (ART-СAM) целесообразно проводить по видам изделий, используемым методам формообразования и способам обработки (рис. 2).
Все технологические подсистемы необходимо настраивать перед началом работы с разными материалами изделий: металлами черными и цветными; металлами драгоценными; поделочными и цветными камнями разной твердости; алмазами и высокотвердыми искусственными кристаллами; керамикой и т.д. Каталоги материалов должны содержать их физико-технические параметры, характеристики обрабатываемости и другие специфические свойства, влияющие на технологические режимы.
Для возможности формирования технологической документации каждую из подсистем следует обеспечить каталогами современных станков, режущих инструментов, стандартной технологической и инструментальной оснастки. Автоматическое формирование управляющих программ для станков с ЧПУ требует каталогов применяемых систем ЧПУ, а также наличия инвариантного постпроцессора, настраиваемого на конкретное оборудование.
Создание программного комплекса ART-CAD-CAM основывается на следующих концептуальных принципах:
♦ ориентация на персональные IBM-совместимые компьютеры типа Pentium стандартной конфигурации, работающие под управлением Windows;
♦ применение в качестве системы ART широко распространенных в России комплексов программ типа 3D Studio (фирмы Autodesk) и Corel Draw! (версии 7 и 8);
♦ использование в качестве базовых отечественных систем CAD-CAM, таких как параметрическая система проектирования T-Flex 2D-3D совместно с автоматизированной системой технологической подготовки производства «Гемма 2,5D, 3D-5D», комплекс CAD-CAM типа «КОМПАС-5» (либо русская версии AutoCAD R14 совместно с системой САМ Power Mill), которые решают основные проектные задачи для разрабатываемых систем CAD-CAM типа «Ротонда», «Грань», «Мозаика» и «Рельеф» на токарных, многокоординатных фрезерных, гравировальных, контурно-вырез-ных и лазерных станках с ЧПУ;
♦ использование в качестве инструментальных CASE-средств для разработки программного комплекса интеллектуальной компьютерной среды (ИКС), системы параметрической графики T-Flex CAD и интегрированной интеллектуальной системы (ИнИС) - проблемно ориентированной оболочки, выполненной в виде надстройки над типовой средой программирования Windows [2].
Остановимся подробнее на использовании CASE-техноло-гии при разработке и эксплуатации интегрированных программных комплексов типа ART-CAD-CAM для конкретных прикладных областей (например, при создании системы автоматизированной поддержки инженерных решений в гранильном производстве). Среда ИКС представляет собой интегрированный и взаимодополняющий друг друга набор инструментальных программных
средств, поддерживающих технологию программирования с максимальным привлечением знаний и умений экспертов и пользователей при разработке и эксплуатации сложных программно-методических систем. ИКС поддерживает и формирует понятийную модель предметной области (ПрО), задает различные функциональные зависимости между отдельными свойствами объектов ПрО в виде спецификаций действий, реляционных отношений, правил принятия решений, чертеж-но-кон-структорских описаний и т.д. Средствами ИКС обеспечивается полная автоматизация генерации программ с языков спецификаций на язык программирования С. На базе специальных правил из сгенерированных программ создаются вычислительные модели процесса проектирования, с помощью которых планировщик ИКС реализует ввод, обработку и вывод данных в соответствии с требуемыми результатами. При необходимости пользователь может заказать протокол вычислений, что соответствует объяснительной функции в экспертных системах. Использование ИКС на порядок сокращает сроки разработки программного продукта.
Система T-Flex CAD (2D и 3D) служит для создания прототипов графических объектов, их редактирования, параметризации и сохранения в файловой системе. Она поддерживает и использует объектно-ориенти-рованный способ создания и использования графических баз знаний. При желании пользователь может конвертировать графическое изображение в один из типовых форматов (например, DXF) или ввести новый графический образ (например, из системы художественного дизайна).
Система ИнИС является оболочкой, в которой накапливается прикладная база знаний ПрО пользователя. В ней реализованы средства для управления и отображения текущего состояния процесса проектирования данного объекта в системе. Описание объекта проектирования в ИнИС строится по иерархи-
ческому принципу. В начале на нулевом уровне разрабатывается проект изделия, и определяются архивы ранее выполненных разработок. В состав проекта входит вся необходимая информация об объекте: формализованное техническое задание; чертежно-графические материалы и описание конструкции; методики инженерных расчетов; технологии для единичного или типового изготовления деталей; программы для станков с ЧПУ. На следующих уровнях детализации ( первом, втором и т.д.) сохраняются сведения об оснастке, требуемой для изготовления данного объекта (штампах, пресс-формах, режущих и измерительных инструментах, станочных приспособлениях и т.д.). Система имеет единый словарь понятий, позволяющий отслеживать изменения тех или иных значений.
За счет такого построения оболочки ИнИС реализована программная архитектура открытой интегрированной системы, позволяющей совмещать разные этапы проектирования и подготовки производства нового изделия. Таким образом, создаются условия для реального воплощения предложенной концепции программного комплекса АКГ-САБ-САМ с точки зрения затрат времени и финансовых средств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айвазов С.Р., Аркадов А.Ю, Вермель В.Д. и др. ГеММа-3Б (Версия 5): Руководство пользователя. г. Жуковский, 1997. 258 с.
2. Евдокимов С.А., Рыбаков А.В. Особенности интеграции прикладных систем в машиностроении. Сб. «Конструкторско-технологическая информатика. Труды конгресса КТИ-96». -М.: Изд-во МГТУ «Станкин», 1996. С. 118-119.
3. Зарубин С. Техническая и художественная гравировка в системе ГеММа - 3Б. «САПР и графика», вып. сент. 1997. С. 36-39.
4. Соломенцев Ю.М. Проблема создания компьютеризированных интегрированных производств. Журнал «Автоматизация проектирования», №1, 1997, С. 10-14.
© Ю.А. Павлов, Р.А. Манюшин, П.К. Шайкин
