CC BY
22
УДК 621.313.3.001.66 Городилов Александр Андреевич,
старший преподаватель, кафедра «Проектирование и экспериментальная механика машин и механизмов»
политехнического института Сибирского федерального университета, тел. 2-497-555, 8-950-403-23-26, e-mail: agorodilov@sfu-kras.ru
Юдкин Егор Александрович,
ассистент, кафедра «Проектирование и экспериментальная механика машин и механизмов» политехнического института Сибирского федерального университета, тел. 2-497-555, 8-904-895-61-13, e-mail: udkin_e@mail.ru Селянкин Дмитрий Михайлович, магистр кафедры «Проектирование и экспериментальная механика машин и механизмов» Политехнического института Сибирского федерального университета,
тел. 2-497-555, 2-881-330, e-mail: selan_1@mail.ru
О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ, КАК ИНСТРУМЕНТА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ
A.A. Gorodilov, E.A. Yadkin, D.M. Selyankin
ON PARAMETRIZATION TECHNOLOGY IMROVING
AS A CAE TOOL
Аннотация. Предлагается новый подход к реализации технологии параметризации сложных изделий.
Ключевые слова: параметризация, автоматизированное конструирование.
Abstract. The article proposes a new approach to implementation of complex products parameterization technology.
Keywords:parameterization, CAE.
Введение
На сегодняшний день особую актуальность приобретают вопросы, связанные со средствами автоматизации проектно-конструкторских работ. Это связано с увеличившимися требованиями к оперативности создания новых изделий. При расчете сложных изделий расчетные модели, как правило, выдают несколько вариантов изделий отличающиеся друг от друга геометрическими параметрами. Для выбора оптимального варианта конструктору необходимо получить твердотельные модели, соответствующие этим вариантам, для проведения конечно элементных расчетов. Так же существует проблема конструирования изделий, обладающих одной и той же конструкцией, но разной мощностью и, как следствие, разными геометрическими размерами. Таким объектом, к примеру, является генератор микроГЭС, у которого более 2000 оригинальных деталей, что затрудняет ручную параметризацию [1].
Сформулировать однозначные правила конструирования - задача непосильная, но инструменты и методики по увеличению производительности труда инженера-конструктора есть, и они продолжают развиваться.
В настоящее время существует ряд методологий конструирования изделий:
• Аналоговое конструирование - конструктор создает новую конструкцию исходя из известных ему работающих конструкций и тенденций современного конструирования, на основе аналога.
• Конструирование с помощью каталогов -конструктор использует систему каталогов, построенных по формальным принципам для конкретной категории техники. Идеолог этой методики - К. Рот [2] изложил принципы такого конструирования с формализацией в виде структур функций, вариантов структурных схем, конструкционных решений, физических процессов взаимодействия звеньев.
• Объектно ориентированное проектирование [3] - технология проектирования изделия, основанная на объектном анализе его структуры как совокупности объектов, имеющих набор функций и взаимосвязей.
• Реверс-инжениринг - технология создания 3Б-модели изделия на основе обмера каждой детали с помощью координатно-измерительной машины или ручного сканера для быстрой организации промышленного производства его аналога.
ш
Этот метод широко используется в самых различных случаях.
• Параметризация [4] - технология 3D-конструирования, основанная на хранении всех размеров и взаимосвязей эскизов и твердотельных операций в оперативной памяти и в файле, что позволяет повторно использовать конструкции механизмов с другими геометрическими размерами.
Современное конструирование немыслимо без составления и анализа альтернативных решений. Однако использование иных существующих методов, кроме параметризации, не решает проблемы быстрого изменения геометрических параметров конструкции.
Параметризация подразумевает функциональные зависимости между параметрами системы, что, к сожалению, не позволяет параметризи-ровать все параметры сложных механизмов, поскольку они рассчитываются по определенным методикам (состоящим из множества формул), подбираются из рядов стандартных размеров, извлекаются из баз данных и т. д. Поэтому необходимо расширить возможности параметрического моделированияего модернизацией за счет введения кроме функциональных зависимостей расчетных. Для этого необходимо разработать универсальный инструмент для сложной параметризации изделий.
Мини- и микроГЭС - объекты малой гидроэнергетики (рис. 1), которая бурно развивается во всем мире. Эта категория электростанций использует энергию водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 5 до 3000 кВт). Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятилетия, в основном из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, из-за возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах 5-7 лет).
На сегодняшний день энергетическая отрасль экономики России далеко не обеспечивает потребности населения и промышленности как в объеме предоставляемых услуг, так и в их качестве. Возрастающие тарифы на электроэнергию вынуждают потребителей обращаться к альтернативным источникам энергоснабжения, в частности к микроГЭС [5].
Рис. 1. Твердотельная модель опытного образца микроГЭС 5 кВт
Еще на начальных этапах работы над проектом возникли идея и архитектура создания компьютерной среды, интегрирующей в себе коммерческие САБ/САБ/РЬМ-среды, оригинальные расчетные модели рабочих процессов и отказов, информационное обеспечение процессов проектирования изделия и его технологии [6]. С помощью ее компонентов были созданы четыре комплекта рабочей документации опытных, опытно -промышленных, промышленных образцов сво-боднопоточных микроГЭС мощностью от 1 кВт до 20 кВт, на которых отрабатывались различные технические решения, их надежность и технологичность. Три образца были изготовлены и успешно прошли натурные испытания на р. Енисей.
Этот опыт позволил создать типовые технические решения, которые можно использовать как базу для автоматизации процесса проектирования. На этом этапе появилась возможность автоматизировать процесс проектирования в рамках и в идеологии интегрированной ИПИ-среды проектирования. Проблема автоматизации решена созданием специализированного приложения «Программный модуль комплексной параметризации конструирования сложных изделий» (ПМ), позволяющего осуществлять функциональную и расчетную параметризацию микроГЭС с возможностью интеграции ПМ с CAD-системами.
Разрабатываемая программа предназначена для автоматизации проектно-конструкторской работы. Программный модуль - плагин встраивается в CAD-систему (рис. 2) и позволяет конструктору увеличить производительность работы за счет удобной и многофункциональной параметризации и автоматической перестройки твердотельной модели.
Создание интегрированных в CAD-систему программ имеет ряд неоспоримых достоинств. Основные преимущества - это обеспечение сквозного цикла информационного взаимодействия приложений в рамках информационной системы, автоматизированное выполнение команд из базовых возможностей CAD-системы, высокое быстродействие, обусловленное отсутствием необходимости в промежуточных форматах данных, минимизация дисковых операций и т. п. [6].
шшт
Т а б л и ц а 1
Рис. 2. Интегрированное в CAD- систему прикладное приложение
Поэтому одним из важных требований, предъявляемых к CAD-системе, является наличие программного управления набором функциональных средств, реализованных в этой системе. Другими словами, наличие интерфейса прикладного программирования (Application Programming Interface - API) является необходимым и достаточным условием для решения задачи интеграции специализированных приложений с CAD-системами.
Обзор возможностей автоматизации CAD-сред
Современный рынок систем, предназначенных для проектирования объектов производства, а также оформления конструкторской документации весьма разнообразен. Лидеры в этой области -такие CAD-системы, как SolidWorks, T-FLEX CAD, CATIA, Компас и др.
Также многообразны механизмы автоматизации проектно-конструкторских работ. Популярность той или иной системы зависит прежде всего от развитости средств разработки и адаптации, которые позволяют создавать специализированные приложения. В табл. 1 представлены наиболее популярные из них.
Название Пояснение
Макросы Макрокоманды (макросы) являются одним из самых простых средств адаптации, доступных большинству пользователей
ActionMacros ActionMacros впервые появились в AutoCAD 2009. Пользователь выполняет последовательность команд, которая записывается с помощью инструмента Action-Recorder
DIESEL Язык DIESEL используется в основном для создания сложных макрокоманд
Visual LISP Среда разработки Visual LISP встроена в AutoCAD, начиная с версии AutoCAD 2000, позволяет создавать приложения, состоящие из нескольких программ
API Интерфейс прикладного программирования (англ. Application Programming Interface, API) - набор готовых классов, функций, структур и констант, предоставляемых приложением (библиотекой, сервисом) для использования во внешних программных продуктах
Рассматриваемый в данной статье инструмент для автоматизации проектно-конструкторских работ является независимым от среды реализации, но на данном этапе из-за определенных преимуществ в качестве среды автоматизации для поставленной задачи была выбрана SolidWorks.
SolidWorks - система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения. Она представляет собой инструментальную среду, предназначенную для автоматизации проектирования сложных изделий в машиностроении и в других областях промышленности.
Причины выбора SolidWorks как среды для автоматизации:
• SolidWorks имеет стандартный графический пользовательский интерфейс Windows, максимально использует все преимущества системы Microsoft Windows, такие как контекстные меню, режим copy-and-paste, режим drag-and-drop, быстрый просмотр, поиск и открытие файлов с помощью проводника, возможность «отката» и др.;
• очевидными достоинствами системы являются ее полная русификация и поддержка ЕСКД, что выгодно отличает SolidWorks от других зарубежных САПР;
ш
• в системе SolidWorks поддерживаются все основные стандарты представления и обмена данными;
• поддержка жизненного цикла изделия в соответствии с концепцией CALS-технологий;
• использование SolidWorks - наиболее удобный способ гибко настроить информационную систему на решение конкретной конструкторской задачи. В настоящий момент SolidWorks является одной из самых популярных систем проектирования среднего уровня как в России, так и во всем мире.
В качестве инструмента автоматизации был выбран SolidWorks API (рис. 3) - интерфейс прикладного программирования, позволяющий разрабатывать пользовательские программы на платформе САПР SolidWorks. SolidWorks API предоставляет прямой программный доступ к функциональным возможностям пакета таким современным средам разработки программного обеспечения как MicrosoftVisualStudio, CodeGearDelphi и др.
Помимо средств автоматизации предоставляемых SolidWorksAPI, при создании программных модулей (плагинов) для автоматизации про-ектно-конструкторских задач особую роль играет непосредственно бизнес-логика самого приложения. В ней выделяются следующие основные ключевые позиции:
• построение иерархии зависимостей объектов в виде дерева и таблиц параметров производственного объекта;
• архитектура программного модуля ;
• архитектура библиотек для вычисления параметров различных деталей;
• механизм взаимодействия таблиц параметров и библиотек;
• определение функциональных зависимостей параметров деталей генератора.
Рис. 3. Объектная модель SolidWorks API
Система ввода входных данных программного модуля
При включении модуля в сборке в первую очередь от пользователя потребуется ввести все необходимые входные данные. Чтобы не требовать ввода лишних параметров, список входных данных будет пополняться при подключении того или иного расчетного модуля. Таблица входных параметров будем выглядеть таким образом:
Т а б л и ц а 2
Вид входных данных
Модуль «Вал»
Длина вала, мм
Модуль «Зубчатая передача»
Передаточное число
При этом в левой части таблицы будут размещены названия входных параметров (имена будут браться из соответствующего подключаемого модуля), а в правой - значения параметров, которые пользователь сможет вводить как напрямую, так и с помощью указания на модели одного из трех типов геометрических параметров:
• размер на эскизе;
• параметр твердотельной операции;
• параметр взаимосвязи между деталями.
Параметры в таблице будут сгруппированы
по названию подключаемого модуля, к которому они принадлежат.
Система обработки выходных данных
Результаты проведенных расчетов необходимо отразить в модели изделия. Для этого нужно связать выходные параметры из библиотек с геометрическими параметрами модели. Заполнение таблицы выходных данных во многом схоже с вводом входных данных, описанным выше, и внешний вид таблицы не отличается от таблицы входных данных, но функционал заполнения имеет некоторые важные отличия:
• выходные параметры не являются обязательными, пользователь может не связывать все параметры с геометрическими элементами модели;
• выходные параметры могут быть описаны единственным способом - указанием геометрических параметров эскиза, твердотельной операции или взаимосвязи, которые могут быть изменены в результате расчетов.
Архитектура библиотек для вычисления параметров различных деталей
Расчеты параметров сложных деталей механизмов, таких как валы, передачи, подшипники, имеют сложный алгоритм, требующий оптимизации и подбор параметров согласно ГОСТам, рядов стандартных размеров, материалов, методов хи-
мической и термической обработки. Поэтому расчет и параметризация параметров этих деталей с помощью простых функциональных зависимостей затруднен. Для решения этой задачи необходимо использовать динамически подключаемые библиотеки (DLL) [7], позволяющие запрограммировать расчет параметров на любом из языков высокого уровня.
Разнообразие видов сложных деталей механизмов требует определения единой архитектуры построения DLL позволяющей единообразно подключать библиотеки к системе, несмотря на различный характер деталей (количество и вид параметров).
Модель архитектуры DLL, используемой для решения данной задачи, можно представить в виде черного ящика, у которого есть определенное количество входных и выходных параметров.
Необходимо определить методы, позволяющие устанавливать определенное количество входных и выходных параметров.
Механизм взаимодействия DLL и системы состоит из следующих этапов:
• пользователь регистрирует DLL в системе, при этом DLL должна возвратить тип детали, параметры которой она рассчитывает;
• при использовании определенной DLL для параметризации параметров DLL должна выдать список входных и выходных параметров в
следующем виде: название переменной, тип переменной, логическое название переменной;
• перед расчетом параметризируемых параметров необходимо, чтобы DLL проверила, введены ли все входные параметры и корректны ли их значения, доступны ли все необходимые данные для расчета из БД;
• при расчете параметров необходимо, чтобы велся протокол расчета, в котором отражалась информация об этапах расчета и выводились все сообщения о невозможности расчета тех или иных параметров и их причинах.
Исходя из основных этапов использования DLL, необходимо, чтобы они имели следующие подпрограммы (табл. 3).
Общая схема архитектуры программного модуля
Архитектура ПМ должна быть универсальной с точки зрения объекта автоматизации, т. е. позволять проводить параметризацию объектов с любым количеством входных параметров, деталей, сборок. Программный модуль должен быть встраиваемым в CAD-систему и осуществлять взаимодействие с ней с помощью API. Также ПМ должен взаимодействовать с различным количеством динамически подключаемых библиотек. Схема архитектуры ПМ представлена на рис. 4.
Т а б л и ц а 3
Методы библиотеки расчета параметров
Название Функциональность Входные пара- Выходные параметры
метода метры
TypePart Возвращает название типа рассчитываемой детали - Строка
InputList Возвращает список входных параметров - Список записей
InputCount Возвращает количество входных параметров - Целое число
OutputList Возвращает список выходных параметров - Список записей
OutputCount Возвращает количество выходных параметров - Целое число
InputPara- Устанавливает значение входного параметра Строка, в зави-
mAsXXX в зависимости от типа параметра, где XXX -int, boolean, string и др. симости от типа
InputType Возвращает тип входного параметра Строка Строка
OutputPara- Возвращает значение выходного параметра Строка В зависимости от типа
mAsXXX в зависимости от типа параметра, где XXX -int, boolean, string и др.
OutputType Возвращает тип выходного параметра Строка Строка
CheckInput Проверяет, установлены ли все входные параметры - Логическое значение
Log Устанавливает адрес процедуры, ведущий лог событий при расчете Процедура -
IsWork Определяет, работает ли алгоритм расчета или уже закончил свою работу - Логическое значение
Calculate Метод, запускающий расчет параметров - -
ПМ
Параметрическая подсистема
Подсистема
расчета параметров
Подсистема управления геометрией Подсистема управления библиотеками
БД1 БД2 БДП
СУБД
Рис. 4. Архитектура ПМ
программного
ш
Т а б л и ц а 4
Таблица параметров
Кодовое имя параметра Тип параметра Название параметра Значе- ние/фун кция
D1@эскиз1 Статический - 35
D2@эскиз1 Вычисляемый - D1 + 20
D3@эскиз1 (секция под подшипник) Внешний Длина посадочной секции для подшипника
Описание подсистем модуля
Программный модуль состоит из следующих подсистем:
• Параметрическая подсистема - отвечает за ввод пользователем различных параметров, связывание параметров с элементами эскизов, деталей, сборок;
• Подсистема расчетов параметров - отвечает за проведения расчета всех параметров;
• Подсистема управления геометрией - отвечает за изменение параметров твердотельной модели;
• Подсистема управление библиотеками -осуществляет подключение DLL и отвечает вызов их процедур и функций.
Определение функциональных зависимостей и статических параметров
Помимо входных параметров, необходимых для работы подключаемых модулей, пользователю может потребоваться задавать функциональные зависимости (или постоянные значения) для любых других геометрических параметров изделия.
Для обеспечения такой возможности пользователю предоставлен особый интерфейс. Таким интерфейсом являются таблицы параметров, имеющие следующий вид (табл. 4).
В первом столбце указывается кодовое имя параметра. Это имя является внутренним именем размера на эскизе твердотельного элемента модели детали. Кодовое имя может быть дополнено расшифровкой на этапе подготовки модели, что сделает работу с таблицей при последующей параметризации более удобной.
Во втором столбце пользователь выбирает тип параметра: статический, вычисляемый или внешний. Эти три типа далее описываются более подробно.
В третьем столбце при выборе типа параметра «Внешний» пользователь может выбрать один из предоставляемых внешним расчетным модулем рассчитываемых параметров. Это действие аналогично вводу входных или выходных параметров. При составлении списка параметров, доступных к вводу в третий столбец, программный модуль автоматически должен учитывать уже заданные входные и выходные параметры и не давать пользователю выбрать их во избежание путаницы.
В четвертом столбце в зависимости от выбранного типа параметра [6] пользователь вводит статическое значение или формулу для вычисления данного параметра. При вводе статического значения параметр фиксируется и не будет изменен при перерасчете модели. Такое поведение может вызвать конфликты, поэтому статический тип параметра следует применять осторожно. При вводе параметра с типом «Вычисляемый» пользователь может ввести функциональную зависимость от одного или нескольких параметров. Таким способом можно ввести простые функции, содержащие математические операции сложения, вычитания, умножения и деления. При использовании данного способа пользователь должен будет самостоятельно проверять корректность введенных функций. ПМ может проверять существование введенных параметров, но корректность вычислений по введенной формуле на этапе введения проверить нельзя.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
При выборе «внешнего» параметра ячейка четвертого столбца недоступна для ввода и может содержать справочную информацию.
Если параметр уже был введен в таблицу входных или выходных данных, то во втором столбце автоматически будет указано значение «Внешний», а третий и четвертый столбцы будут заполнены в соответствии с выбранным входным или выходным параметром. Иначе параметр по умолчанию считается статическим и имеет значение, заданное конструктором при моделировании.
Такие таблицы должны создаваться для каждого эскиза, каждой детали и каждой сборки, требующих параметризации с последующей автоматизацией расчетов параметров.
Для удобства использования таблицы параметров при выборе пользователем одного из них размер, соответствующий этому параметру, должен будет выделяться на модели или на соответствующем эскизе.
При необходимости автоматического расчета размера (и пересчета при изменении в модели) пользователь сможет изменить тип параметра на «Вычисляемый» или «Внешний». В первом случае пользователю будет предоставлена возможность ввести в поле «Расчетная формула» таблицы параметров простую математическую зависимость от одного или нескольких параметров детали (или других деталей сборки). Во втором случае появится возможность сопоставить указанный параметр с одним из параметров, рассчитываемых внешними модулями. Подключаемые внешние модули будут содержать функции для сложных вычислений, которые нельзя описать с помощью простой функциональной зависимости.
Место таблицы параметров в общей структуре модели
Для отображения и доступа к таблицам параметров дерево конструирования SoПdWorks дополнено элементом «Таблица параметров» для каждого элемента, который содержит такую таблицу (эскиз, деталь и сборка). Для оптимизации работы ПМ таблица параметров должна создаваться по требованию пользователя с помощью отдельной команды «Создать таблицу параметров», доступной из контекстного меню соответствующего элемента модели (рис. 5).
ш-
/
Позиция для вставки дополнительного элемента «Таблица параметров»
[-) Крь1шка2<1> (ф) Корпус опорного узла<2 (-) Крышка1<2> (-) Крышка2<2> [-) Вал645<1> + Сопряжения в Стенд дл:: + - А Примечания
ЕВ2_Табгиша па_ра_метро_в' ■<$> Спереди ■<$> Сверху Справа
Исходная точка (} ■■■<5В Повернуть! ^ Фаоса! + С") Стопорное кольцо<1>
Рис. 5. Объект, интегрированный в систему SolidWorks Заключение
Применение представленного подхода позволяет решить задачу автоматизации конструирования с помощью использования программного модуля, интегрированного в CAD-систему SolidWorks. Это позволяет существенно сократить время на разработку сложных изделий, таких как генератор микроГЭС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Головин М. П. Интегрированная среда проектирования свободнопоточных микроГЭС // Труды КГТУ. Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2006. №3-4.
2. Рот К. Конструирование с помощью каталогов : пер. с нем. М. : Машиностроение, 1995. 420 с.
3. Буч, Г. Объектно-ориентированное проектирование : пер. с англ. М. : Конкорд, 1992. 519 с.
4. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE) : пер. с англ. СПБ. : Питер, 2004. 560 с.
5. Леденёв А. В., Семёнов И. А., Сторожевых В. А. Динамически загружаемые библиотеки: структура, архитектура и применение // Прикладная информатика. 2008. № 2. С. 31-84.
6. Автоматизированное проектирование торцевого синхронного электрогенератора в интегрированной среде / Е. А. Юдкин, М. П. Головин, А. Л. Встовский // Машиностроение : сб. науч. ст. Красноярск : ИПК СФУ, 2008. С. 133-138.
