CC BY
6
DOI 10.36622/VSTU.2022.18.5.009 УДК 544.42
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ НОРМАЛЕЙ НА ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ МОДЕЛЕЙ ДЕТАЛЕЙ СБОРОЧНЫХ УЗЛОВ
А.Н. Юров
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: при проектировании систем, отвечающих за частичную или фрагментную автоматизацию, необходимо проведение исследований касательно тех компонентов инженерных программных продуктов, где это действительно целесообразно. Операции по работе с нормалями могут быть востребованы при задании направлений установки размеров, технических требований в составе сборочной единицы, а также анализе взаимных пересечений поверхностей моделей деталей в составе сборочных единиц при проектировании изделий. Для автоматизации процесса по внесению размеров в модель требуется корректно определять направление построения размеров, иначе размер будет скрыт формой объекта цифровой модели. Одним из вариантов решения проблемы по определению направления построения размеров является подход позиционирования нормалей к поверхности, на которой есть заданные контрольные точки, относительно которых создаются размеры. Приведены компоненты геометрического ядра, обеспечивающие разделение сборочного узла на отдельные объекты-модели, рассмотрена топология моделей, а также порядок извлечения граней из формы модели. Определена схема разработки программного решения для разработки программного приложения. Создан автономный пользовательский интерфейс приложения с реализацией построения нормалей средствами Open CASCADE. Реализация выполнена для операционных систем Linux с 64-разрядной архитектурой
Ключевые слова: представление моделей, моделирование процессов и систем, построение нормали к поверхности, цифровые макеты изделий, геометрическое ядро Open Cascade, операционные системы с открытым исходным кодом
Введение
Системы моделирования позволяют выполнить реализацию этапа проектирования в процессе производства изделий [10,11]. Проектирование выполняется как в основной программной системе, так и построенных на ее основе компонентных модулей. Часто отдельные специализированные модули используют импорт данных для того, чтобы произвести анализ отдельных деталей или узлов, создать управляющие программы для твердотельных моделей и многое другое.
При проектировании систем, отвечающих за частичную или полную автоматизацию, необходимо проведение исследований касательно предметной области
автоматизации. Например, для подготовки конструкторской документации необходимы чертежи с нанесёнными размерами и техническими требованиями.
Получение видов для чертежа можно выполнить с имеющейся твердотельной модели. Отдельные виды получить сечением. А размеры извлечь исходя из того факта, что в цифровом аналоге реального изделия уже есть
© Юров А.Н., 2022
информация обо всех геометрических атрибутах объекта. Однако следует отметить, что при извлечении такой информации и отрисовке размера потребуется
дополнительная работа по определению направления построения размера. Ведь если линии и обозначения размера будут скрыты топологическими элементами этой же модели, вопрос автоматизации по заданной проблеме останется открытым.
Одним из вариантов решения по определению направления построения размеров является поиск нормалей к поверхности, на которой есть заданные контрольные точки, относительно которых создаются размеры. Для эскизов на плоскости такие точки имеются, а в плоскости нормали строятся относительно заданных отрезков и представляют собой перпендикуляр.
В большинстве случаев при рассмотрении проблем в системах, связанных с моделированием, опираются на их функциональные возможности для решения определенного класса задач [4-9]. Нахождение и построение нормалей, как отмечалось ранее, является задачей вспомогательной и, как вариант, такое знание может помочь в
автоматическом построении и размещении размеров для деталей. Более широкие задачи могут возникнуть при решении проблем, связанных с пространственными
ограничениями или взаимосвязями на плоскости. В этом случае потребуется программное обеспечение, которое
обеспечивает необходимый функционал, называемый решателем (Solver).
Инструменты геометрического ядра для проектного решения
Набор решений, который сократит трудоёмкость при разработке, можно найти в виде функциональных классов, входящих в состав геометрического ядра Open CASCADE [1-3].
class TopExp_Explorer
Функционал класса представлен инструментами для получения состава топологических данных из пакета TopoDS.
Диаграмма класса и подключение его к проекту показаны на рис. 1.
ttinclude <TopExp_Explorer.hxx> Inheritance diagram for TopExpJExplorer:
Рис. 1. Получение состава топологических элементов
class GeomLProp_SLProps
Функционал класса реализует
инициализацию локальных свойств поверхности <S> для значений параметров (<U>, <V>). Текущая точка и производные вычисляются одновременно, что позволяет оптимизировать время вычислений. Определяет максимальное количество производных, которые должны быть использованы в работе (0, 1 или 2).
class GProp_GProps
Класс реализует общий механизм для вычисления глобальных свойств "сложной геометрической системы" в 3D пространстве путем композиции глобальных свойств "элементарных геометрических сущностей", таких как кривая, поверхность, твердое тело, набор точек. Можно также компоновать
свойства нескольких "составных
геометрических систем" (рис. 2).
#iriclude <GProp_GProps. hxx> Inheritance diagram for GProp_GProps:
Handle(AIS_Line) aVecAIS = new AIS_Line (pnt1,pnt2) - инструкция обеспечивает создание отрезков в контексте отображения визуализатора геометрического ядра с различными атрибутами.
Проектирование модуля
В процессе разработки модуля по работе с нормалями следует ориентироваться на основную задачу проекта - поиск и получение нормалей для заданной (любой) грани цифрового двойника детали, входящей в состав сборочного узда. Следует заранее подготовить несколько сборочных
конструкций с разноплановой поверхностной геометрией деталей, чтобы протестировать ряд граней на предмет работы с ними. Проблема заключается в том, что при импорте сборок некоторые поверхности могут быть геометрически искажены (или разбиты на несколько элементов), что позволит неправильно интерпретировать работу с гранями, и, как следствие, отображать неверно нормали.
Загрузку моделей в модуль можно выполнить, используя экспортный формат step и несколько несложных сборочных единиц, детали которых имеют преимущественно плоские поверхности. Используем следующий подход к визуализации сборочных узлов: "Открытие через стандартный диалог сборки в формате step" ^ "Разбор компонентов и получение некоторого объекта в памяти" ^
"Рендер объекта (настройки)" ^ "Визуализация объекта".
После того, как сборка загружена и показана в окне, необходимо сформировать список входящих в нее компонентов с возможностью их удаления (скрытия). Удаление потребуется для того, чтобы была возможность добраться до деталей, которые скрыты другими элементами.
Также необходимо в приложении организовать работу с просмотром сборок, их вращением, перемещением и представлением в аксонометрическом виде. Эти процедуры требуются в работе оператора, чтобы имелась возможность посмотреть на результаты программной системы.
Кроме того, следует спроектировать класс (или группу методов), в котором обеспечивается автоматический и
интерактивный режим построения нормалей к заданным граням объектов. Компоновка программной системы, исходя из вышесказанного, может выглядеть так, как показано на рис. 3.
е сборочных единицах
Рис. 3. Компоновка модуля программного решения
Рис. 4. Автоматический режим по построению нормалей для каждой поверхности модели в составе сборки
На рис. 5 показан режим по интерактивному размещению нормалей для сборок.
Рис. 5. Интерактивный режим по построению нормалей для заданной поверхности модели в сборке
Опираясь на вышеперечисленные материалы, был разработан метод построения нормали к заданной грани, который обеспечивает направление вектора нормали всегда во внешнее пространство относительно заданного топологического элемента твердотельной модели.
Результаты работы приложения по построению нормалей при использовании автоматического режима разбора на топологические элементы всех поверхностей моделей, которые входят в состав сборочного узла, показаны на рис. 4.
Для построения требуется выбрать режим по работе с гранями тела, выделить грань, убедившись, что сработало выделение, и воспользоваться функционалом по внесению нормали к выбранной грани.
Заключение
Модуль позволяет в автоматическом или интерактивном режимах выполнить построение нормалей к топологическим поверхностям моделей в составе сборочного узла, реализация которого построена на методах и классах геометрического ядра Open CASCADE.
Для позиционного расположения нормали был подготовлен метод, обеспечивающий направление вектора нормали всегда во внешнее пространство
относительно заданного топологического элемента твердотельной модели.
Программное решение обладает развитыми средствами интерактивности в работе с цифровыми макетами изделий. Выбор варианта работы с нормалями осуществляется посредством указания типа действия на отдельной инструментальной панели.
Приложение включает в себя полный набор динамических библиотек и зависимостей для обеспечения автономности в процессе работы.
Основные возможности: -загрузка моделей в экспортном формате. step;
-получение перечня деталей в составе сборочной единицы;
-интерактивная подсветка деталей в составе сборочной единицы при выборе;
-видовые изменения для сборочного узла (масштабирование, 3D проекция, перемещение и вращение всех компонентов);
-автоматический режим подготовки и построения нормалей на поверхностях деталей, входящих в состав сборочного узла;
-интерактивный режим подготовки и построения нормалей на поверхностях деталей, входящих в состав сборочного узла;
-выбор режима по сегментации объектов (форма-грань);
-интерактивные инструкции в процессе работы.
Актуальность разработки состоит в создании отечественного ПО и некоторого функционала программных решений по моделированию для операционных систем с открытым исходным кодом.
Литература
1. Горбачев И.В., Похилько А.Ф. Представление модели в среде построения функционально адаптированных САПР на базе Open CASCADE //
Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2007. № 3 (39). С. 32-35.
2. Сафаров Е.Т. Основные модули Open CASCADE и их назначение // Современные материалы, техника и технология: материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конф. Курск, 2013. С. 320-322.
3. Еремин И.А., Чижов М.И. Проектирование винтовых деталей с помощью открытого ядра Open CASCADE // Насосы. Турбины. Системы. 2014. № 2 (11). С. 39-42.
4. Цыганков Д.Э. Технология структурно-семантического 3D-моделирования в комплексном процессе конструирования // Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей». 2017. № 4. С. 91-97.
5. Цыганков Д.Э., Похилько А.Ф. Отображение структуры проектируемого изделия в процессе построения 3D-модели // Перспективные информационные технологии (ПИТ-2017): тр. Междунар. науч.-техн. конф./ под ред. С.А. Прохорова. Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2017. С. 1030-1033.
6. Рыжков В.А. Разработка системы визуализации разнородных данных цифрового макета изделия // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 4-3. С. 634-637.
7. Реализация методики создания 3D параметрических моделей типовых деталей узлов авиационных конструкций в среде Siemens NX / Е.С. Горячкин, А.И. Рязанов, А.В. Урлапкин, Л.А. Чемпинский // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2012. № 5-2 (36). С. 187-193.
8. Похилько А.Ф., Цыганков Д.Э. Отображение функциональной структуры проектируемого изделия в дереве построения его 3D-модели // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19. №1 (2). С. 424-427.
9. Погребняк Г.Е. 3D-моделирование конструкторски сложных узлов изделий машиностроения на ранних этапах анализа и проектирования //САПР и Графика. 2017. № 3. С. 59-63.
10. Alemanni M., Destefanis F., Vezzetti E. Modelbased Definition Design in the Product Lifecycle Management Scenario // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. Vol. 52. № 1-4. P. 1-14.
11. Advances in Parameterized CAD Feature Translation / S. Bondar, A. Shammaa, J. Stjepandic, K. Tashiro // Transdisciplinary Lifecycle Analysis of Systems: Proceedings of the 22nd ISPE Inc. International Conference on Concurrent Engineering, IOS Press, Amsterdam, 2015. P. 615-624.
Поступила 05.09.2022; принята к публикации 10.10.2022 Информация об авторах
Юров Алексей Николаевич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: kitp@vorstu.ru, тел. +7(951)548-63-12
POSITIONING NORMALS ON THE TOPOLOGICAL SURFACES OF ASSEMBLY PART
MODELS
A.N. Yurov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: when designing systems that are responsible for partial or fragmented automation, it is necessary to conduct research regarding those components of engineering software products, where it is really expedient. Operations with normals can be in demand when setting dimensional directions, technical requirements as part of an assembly unit, as well as the analysis of mutual intersections of surfaces of part models as part of assembly units in the design of products. To automate the process of entering dimensions into a model, it is necessary to correctly determine the dimensioning direction, otherwise the dimension will be hidden by the shape of the digital model object. One solution to the problem of determining the direction of dimensioning is the approach of positioning normals to the surface, on which I give control points, relative to which I created the dimensions. I considered in the work the components of the geometric kernel, providing the division of the assembly unit into separate object-models, the topology of models, as well as the order of facet extraction from the form of the model. I defined the scheme for developing a software solution to develop a software application. I created an autonomous user interface of the application with the implementation of normals construction by means of Open CASCADE. I performed implementation for Linux operating systems with 64-bit architecture
Key words: model representation, surface normal construction, digital product layouts, Open Cascade geometric kernel, open-source operating systems
References
1. Gorbachev I.V., Pokhil'ko A.F. "Model representation in the environment of building functionally adapted CAD on the basis of Open CASCADE", Bulletin of Ulyanovsk State Technical University (Vestnik Ul'yanovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2007, no. 3 (39), pp. 32-35.
2. Safarov E.T. "Main modules of Open CASCADE and their purpose", Proc. of the 3rd International Scientific-Practical Conf.: Modern Materials, Technology and Technology (Sovremennye materialy, tekhnika i tekhnologiya), 2013, pp. 320-322.
3. Eremin I.A., Chizhov M.I. "Designing screw parts using the Open CASCADE kernel", Pumps. Turbines. Systems (Nasosy. Turbiny. Sistemy), 2014, no. 2 (11), pp. 39-42.
4. Tsygankov D.E. "The technology of structural-semantic 3D-modeling in the complex design process", Bulletin of Concern VKO "Almaz-Antey" (VestnikKontserna VKO «Almaz-Antey»), 2017, no. 4, pp. 91-97.
5. Tsygankov D.E., Pokhilko A.F. "Displaying the structure of the designed product in the process of building a 3D model", Proc. of the Int. Sc. and Tech. Conf.: Perspective Information Technologies (PIT-2017), Samara Scientific Center RAS Publishing House, 2017, pp. 1030-1033.
6. Ryzhkov V.A. "Development of visualization system of heterogeneous data of the digital layout of the product", News Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk),
2016, vol. 18, no. 4-3, pp. 634-637.
7. Goryachkin E.S., Ryazanov A.I., Urlapkin A.V., Chempinskiy L.A. "Implementation of methods for creating 3d parametric models of typical parts of aircraft structures in Siemens NX", Bulletin of Samara University. Aerospace Engineering, Technology and Mechanical Engineering (Vestnik Samarskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika, tekhnologii i mashinostroyenie), 2012, no. 5-2 (36), pp. 187-193.
8. Pokhilko A.F., Tsygankov D.E. "Display of functional structure of the designed product in the tree of its 3D-model", News Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk),
2017, vol. 19, no. 1 (2), pp. 424-427.
9. Pogrebnyak G.E. "3D-modeling of design-complex units of mechanical engineering products at the early stages of analysis and design", CAD and Graphic Design (SAPR i Grafika), 2017, no. 3, pp. 59-63.
10. Alemanni M., Destefanis F., Vezzetti E. "Model-based definition design in the product lifecycle management scenario", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, vol. 52. No. 1-4, pp. 1-14.
11. Bondar S., Shammaa A., Stjepandic J., Tashiro K. "Advances in parameterized CAD feature translation", Transdisciplinary Lifecycle Analysis of Systems: Proceedings of the 22nd ISPE Inc. International Conference on Concurrent Engineering, IOS Press, Amsterdam, 2015, pp. 615-624.
Submitted 05.09.2022; revised 10.10.2022
Information about the author
Aleksey N. Yurov, Cand. Sci. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: kitp@vorstu.ru, tel.: +7 (951) 548-63-12
