Отображение функциональной структуры проектируемого изделия в дереве построения его 3D-модели Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 658.512.22:004.896

ОТОБРАЖЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ В ДЕРЕВЕ ПОСТРОЕНИЯ ЕГО 3D-МОДЕЛИ

© 2017 А.Ф. Похилько, Д.Э. Цыганков Ульяновский государственный технический университет Статья поступила в редакцию 23.03.2017

В работе рассматривается подход к достижению наибольшей информативности электронной 3D-модели на этапе конструкторского проектирования, заключающийся в отображении деревом ее построения информации о функциональной структуре проектируемого изделия. Такой подход основан на биекции между деревом построения 3D-модели и набором функциональных элементов, составляющих структуру изделия, несущих фиксированный и строго заданный смысл в рассматриваемой предметной области.

Ключевые слова: CAx-технологии, SD-модель, проектирование, CSG, макет, CAD-система, конструирование, САПР, структурно-функциональная декомпозиция

Непрекращающееся развитие CAx-систем упрочнило положение 3D-моделей в жизненном цикле изделия (ЖЦИ) [1, 2], прежде всего, на стадии опытно-конструкторских работ (ОКР) [3], вследствие чего последние являются отображением изделия как в процессе его изготовления - при моделировании в CAM-системах, принципах функционирования, что обеспечивается функционалом CAE-систем, так и собственно конструкции, формируемой в CAD-системах. Очевидно, что для этапа конструкторского (технического) проектирования важнейшей проектной информацией является именно конструкция изделия, отображаемая современными CAD-системами следующим образом:

CAD : Констр.(Изд.) ^Мод^д, (1)

где Мод.3ИЗд , Констр.(Изд.) - 3D-модель изделия и его конструкция соответственно.

Непосредственно сама 3D-модель является лишь «следствием» выполнения базовых операций (БО) CAD-системы [4], иерархически упорядоченных в т.н. «дереве построения» 3D-модели [5] - линейной последовательностью взаимосвязанных БО, тогда:

n

CAD : J БО, ^ Мод%д,

и (2) где символ конъюнкции означает последовательность выполнения БО, формируя проектный маршрут - упорядоченный набор БО, формирующий 3D-модель изделия.

Информативность 3D-модели заключается в отображении ею требуемых для текущего этапа ЖЦИ проектных данных об изделии [6]. Отображение его конструкции - основной функционал CAD-системы: проектное решение в виде 3D-модели обладает

Похилько Александр Федорович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Прикладная математика и информатика». E-mail: paf_54@mail.ru Цыганков Денис Эдуардович, аспирант. E-mail: d.tsyg@mail.ru

законченностью конструкции, т.е.

Мод.3Ид. = Констр.(Изд.). При этом, проектные данные об изделии, отображаемые 3Б-моделью, содержится именно в базовых операциях [2 ,4], составляющих его структуру - дерево построения 3Б-модели:

п

Дер.Ид : Констр.(Изд) ^ У БО,.

(3)

где Дер.3И^д - дерево построения электронной 3Б-модели проектируемого изделия.

Наибольшая информативность трехмерной модели обеспечивается отображением функциональной структуры изделия, такая 3Б-модель уже в полной мере является компонентой цифрового макета изделия [7]. Национальный стандарт Российской Федерации [8] определяет функциональную структуру как «структуру, состоящую из элементов, описывающих функции - функциональных элементов (ФЭ), и связей между ними, не содержащую подробностей их реализации (обычно представляющуюся отображающим иерархию функций графом)». К ФЭ, подходящим под данное выше определение, согласно [9] относятся:

• Рабочие элементы (РЭ), непосредственно выпол-

няющие регламентированные функции изделия;

• Базовые элементы (БЭ), обеспечивающие коорди-

нацию изделия относительно других изделий в процессе сопряжения;

• Соединительные элементы (СЭ), служащие для материальной связи рабочих и базовых элементов друг с другом;

• Технологические элементы (ТЭ), служащие для реа-

лизации технологического процесса изготовления изделия и его последующей сборки.

Одни и те же ФЭ могут играть роль как РЭ, так и БЭ и СЭ; наиболее благоприятный вариант -это объединение в конструкции РЭ и БЭ при минимизации СЭ [9]. В качестве примера (рис. 1) рассматривается гайка накидная из состава коаксиального соединителя (вилки) типа IV по ГОСТ 20265-83 и ГОСТ РВ 51914-2002, обеспечивающая резьбовое соединение с ответной частью (розеткой) [10].

Рис. 1. Структурно-функциональный анализ (СФА) проектируемого изделия

Каждый ФЭ имеет однозначно верно воспринимаемую семантическую наполненность (резьба, рифление и др.), актуальную в предметной области изделия - соединителя коаксиального [11], а также проектируемого финального изделия уровня «Сборочная единица», куда входит рассматриваемая деталь [12]. На основе физического смысла выделяются атрибуты ФЭ [13], качественно и количественно определяющие его итоговый геометрический 3Б-образ [14] (диаметр отверстий, количество лысок, тип рифления и др.). Значения данных атрибутов являются характеристикой конкретного экземпляра ФЭ. С учётом структурно-функциональной декомпозиции (СФД) изделия на ФЭ, проводимой в процессе СФА, и состава структуры 3Б-модели из набора БО в соответствии с формулой (2), отображение дерева построения вида (БО{}п ^ (ФЭ^}т в САБ-системе может быть реализовано двумя, на первый взгляд, сходными методами:

Метод сюръективного отображения. Данный метод основан на объектно-ориентированном упорядочивании (но не объединении) БО САБ-системы в дереве построения 3Б-модели [15]. Согласно ему, требуемое отображение может быть достигнуто вполне очевидным образом, представленным на рис. 2 и формулой (4):

Дер.%д. = ( БО, при , = 1,п, к = 1,т, р > к

и БОj ^ ФЭк },

j=l

(4)

т.е. каждый ФЭ строится упорядоченным набором {БОк}, при к = [1...п], предоставляя соответствующие проектные параметры для определения его геометрического 3Б-образа [15], то есть, является, по своей сути шаблоном [16]. При этом конкретный состав и количество БО выбирается инженером.

Достоинство такого описания процесса построения 3D-модели заключается в максимально возможно подробной (в рамках функционала САБ-системы) визуализации информации о структуре проектного решения, четко и понятно воспринимаемой, а также в удобстве редактирования и модификации. То есть, при изменении СФЭ, модификация его 3Б-образа будет осуществляться внесением изменений в соответствующие БО (уровня как 2Б и как 3Б). Недостатком является высокая сложность процесса построения 3Б-модели, в том числе и ее параметризация и обеспечение ассоциативности, а кроме того, необходимость в познании устройства проектируемого изделия (этой информацией конструктора владеют не всегда, в отличие от расчетчиков и схемотехников). Очевидно, что такое построение 3Б-модели затруднительно как в плане затрачиваемых трудовых и временных ресурсов, так и в плане высокой интеллектуальной нагрузки на пользователя, поэтому на практике чаще применяется другой подход.

Метод минимума проектных действий. Его суть заключается в быстрейшем и, соответственно, легчайшем процессе построения 3Б-модели в плане минимального числа БО САБ-системы [17]. Отображение структуры проектируемого изделия ЗБ-моделью в соответствии с данным методом имеет вид, представленным на рис. 3 и формулой

(5):

Рис. 2. Сюръективное отображение структуры проектируемого изделия

Рис. 3. Отображение структуры проектируемого изделия по методу минимума проектных действия

Дер.Z. = { БО1

j=i

при i = 1,n, p < m

U BOj ФЭ k },

(5)

т.е. набор {БО}, при I = [1...п] может отображать какой-либо фиксированный набор {ФЭк}, при к = [0...т] или же их частей (при к=0), без четкого соответствия вида БО1 ^ ФЭК. Такой вариант удобнее для инженеров, т.к. требует минимума проектных действий - количества БО и дает возможность построить требуемую геометрию выбранным на свое усмотрение способом, оперируя знакомыми методами построения трехмерных тел.

Достоинства такого описания 3D-модели -это, прежде всего, легкость построения результирующего 3Б-образа с низкой интеллектуальной нагрузкой на пользователя, временными и трудовыми затратами, а также более легкая параметризация. Недостатками являются как отсутствие отображения изначально заложенной информационно-смысловой наполненности проектного решения (в плане его структуры), так и трудность внесения изменений с сохранением корректности структуры проектного решения. При таком подходе крайне затруднительно повторное использование проектных данных.

Сравнивая и анализируя представленные выше методы, становится очевидным, что оптимален синтез их ключевых преимуществ, а именно:

1. Фиксация и отображение подробной информации о структуре проектируемого изделия, актуальной в его предметной области, в рамках 3Б-модели;

2. Легкость и удобство процесса построения 3Б-модели в СЛБ-системе, обеспечивающего простоту процессов редактирования и модифицирования.

Реализация указанного набора признаков предлагается в следующем методе:

Метод структурного соответствия. Этот метод является, по своей сути, биективным отображением структуры проектируемого изделия (набора ФЭ) деревом построения 3Б-модели, что представлено на рис. 4 и формулой (6):

Дер^. = (МкФ, | МкФ& ^ = Тп,

где п - количество ФЭ в проектируемом изделии, МкФ - семантическая макрофункция построения 3Б-образа соответствующего ФЭ изделия, определяемая как:

т

МкФ, = У БО),

^ (7)

т.е. МкФ - это последовательность упорядоченно выполняющихся БО, формирующих на основе операций СЛБ-системы результирующий 3Б-образ ФЭ.

Основная идея метода структурного соответствия заключается в информационно-смысловом обобщении базовых операций СЛБ-системы в

(6)

соответствии с формулой (7) до уровня семантической макрофункции (МкФ) построения 3Б-образа ФЭ [18], с четким смысловым соответствием МкФ ^ ФЭ. Функциональная структура изделия Стр.(Изд.) и дерево построения 3Б-модели Дер.3ИЗд как множества, являются равномощными, т.е.:

\Стр.(Изд.)\ = 1 Дер.

3D

Изд

(8)

Рис. 4. Биективное отображение структуры изделия в дереве построения SD-модели

Выводы: достоинства метода сюръективного отображения реализованы в четком и строгом соответствии между МкФ и ФЭ, а достоинства метода минимума проектных действий отражены в оперировании непосредственно параметрами макрофункций, набор которых определяется функциональной структурой изделия.

Исследование проводится в рамках гранта № 16-47732138 «Разработка моделей, методов и средств информационной поддержки технологий Concurrent Engineering на основе интегрированного представления процесса в интеллектуальной базе знаний САПР», поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ахтулов, А.Л. Задачи геометрического моделирования в создании систем автоматизации конструирования обводообразующих поверхностей сложных объектов / А.Л. Ахтулов, Л.Н. Ахтулова // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2011. № 22. С. 43-47.

2. Tsygankov, D. et al. The Design Process Structural & Logical Representation in the Concurrent Engineering Infocommunication Environment / D. Tsygankov et al. // Transdisciplinary Lifecycle Analysis of Systems - Proceedings of the 22nd ISPE Inc. International Conference on Concurrent Engineering, July 20-23, 2015, IOS Press, Amsterdam, 2015. P. 595-602.

3. Антипин, А.В. Интеграция сапр при конструировании электронной аппаратуры / А.В. Антипин, Е.Е. Носкова // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2013. Т. 1. №9. С. 192.

k=0

4. Цыганков, Д.Э. Представление процесса проектирования на базе обобщения элементарных операций до уровня семантических единиц / Д.Э. Цыганков, А.Ф. Похилько // Автоматизация процессов управления. 2015. № 3 (41). С. 81-88.

5. Hamilton, P. Азбука технологий моделирования в MCAD-системах. Ч. III. Как технологии MCAD влияют на процесс разработки изделия // CAD/CAM/CAE Observer. 2008. №2. C. 34-36.

6. Вичугова, А.А. Формальная модель структуры взаимосвязей разнотипных объектов проектирования / А.А. Вичугова, В.Н. Вичугов, Г.П. Цапко // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 322. №5. С. 164-169.

7. Лихачев, М.В. Применение технологии функционального цифрового макета изделия на этапе предкон-трактного проектирования космического аппарата / М.В. Лихачев, ЕА. Шангина // Решетневские чтения. 2013. Т. 1, №17. С. 24-26.

8. ГОСТ Р 53394-2009. Интегрированная логистическая поддержка. Основные термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2010. 24 с.

9. Латыев, С.М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учебное пособие. - СПб.: Политехника, 2007. 579 с.

10. ГОСТ 20265-83. Соединители радиочастотные коаксиальные. Присоединительные размеры. - М.: Издательство стандартов, 1984. 14 с.

11. Калашников, А.В. Наиболее распространенные коаксиальные радиочастотные соединители [Электронный ресурс] - URL: http ://hamradio.online.ru/ ftp27hfVhf.pdf (дата обращения 13.03.2017 г.).

1. Толкачева, Е.В. Автоматизация синтеза технологических решений и их документирования на основе

извлечения инженерных знаний / Е.В. Толкачева, И.И. Семенова // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7, №4. С. 76-80.

12. Цыганков, Д.Э. Выделение структурно-функциональных элементов электронной цифровой модели изделия / Д.Э. Цыганков, А.Ф. Похилько // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: мат-лы Междун. науч.-техн. конф. «INTERMATIC-2016» - М.: Галлея-Принт, 2016. Ч.4. -С.118-120.

13. Цыганков, Д.Э. Представление проектируемого изделия системой структурно-функциональных элементов / Д.Э. Цыганков, А.Ф. Похилько // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ. С. 250-252.

14. Евгенев, Г.Б. Метод генерации 3D-моделей в продукционных базах знаний / Г.Б. Евгенев, А.А. Кокорев, М.В. Пиримяшкин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. №4 (661). С. 38-48.

15. Калинцев, В.И. Применение шаблонов Knowledge based Engineering в САПР CATIA V5 для моделирования сотовых панелей / В.И. Калинцев, М.В. Лихачев // Решетневские чтения. 2015. Т. 2, №19. С. 220-222.

16. Кидрук, М.И. Компас^ V10 на 100%. - М.: Питер, 2009. 500 с.

17. Tsygankov, D. The Design Process Data Representation Based on Semantic Features Generalization / D. Tsygankov et al. // Transdisciplinary Engineering: Crossing Boundaries - Proceedings of the 23rd ISPE Inc. International Conference on Transdisciplinary Engineering, October 3-7, 2016, IOS Press, Amsterdam, 2016. P. 127132.

THE DESIGNED PRODUCT FUNCTIONAL STRUCTURE REPRESENTATION IN THE ITS 3D-MODEL CREATION TREE

© 2017 A.F. Pokhilko, D.E. Tsygankov

Ulyanovsk State Technical University

This paper deals with the approach to the electronic 3D-models most informative achieving on the construction engineering stage. This approach is information about the designed product functional structure representation in the 3D-model creation tree. This approach is based on a bijection between the 3D-model creation tree and the functional elements set. These functional elements make up the designed product structure and carry a fixed and strictly specified meaning in the product subject area.

Key words: CAx technologies, projecting, CSG, model, CAD-system, designing, SAPR, structural-functioning decomposition

AlexanderPokhilko, Candidate of Technical Sciences, Professor at the Department "Applied Mathematics and Informatics". E-mail: paf_54@mail.ru Denis Tsygankov, Post-graduate Student. E-mail: d.tsyg@mail.ru