Принципы многоуровневой параметризации при формировании объектов

Актуальность исследования.

Одним из направлений повышения эффективности промышленного сектора экономики является применение современных информационных технологий для информационной интеграции процессов, протекающих в ходе всего жизненного цикла продукта и его компонентов. Жизненный цикл (ЖЦ) продукта, как его определяет стандарт ISO 9004−1, — это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта. В настоящее время свыше 95% современных предприятий большого и среднего бизнеса, а также более 99% предприятий малого бизнеса, создающих как простые (посуда, мебель, бытовая техника и т. п.), так и очень сложные (автомобили, самолеты, суда) изделия, в практике проектирования и производства применяют CALS-технологии с целью сокращения сроков проведения работ на производственной стадии жизненного цикла изделия.

Однако, несмотря на многообразие и развитость существующих систем и методов проектирования и инженерного анализа, используемых в CALS-технологиях на производственной стадии жизненного цикла, существует ряд проблем и направлений, требующих либо кардинального разрешения, либо поиска новых решений, позволяющих достигать цели более экономичными с точки зрения компьютерных ресурсов и машинного времени средствами. Процесс проектирования любого принципиально нового изделия, не имеющего аналогов, является процессом творческим, и большинство разработанных методик в этой области могут носить лишь рекомендательный характер. Однако даже в этом случае применение информационных и CALS-технологий в максимальной степени служит избавлению проектировщика от операций, хорошо поддающихся автоматизации. Возникает иная ситуация, если процесс разработки нового изделия осуществляется в рамках уже существующей концепции. Зачастую разработки именно такого рода изделий являются наиболее актуальной задачей. При этом, как правило, ставится задача разработать полный комплект конструкторской документации и определить стоимость изделия, сконструированного по известному прототипу, но с некоторыми изменениями. В данном случае главным критерием является быстрота разработки. Изделие нужно разработать в максимально короткие сроки, в противном случае изделие может стать невостребованным. Решение данной задачи в рамках процесса проектирования возможно путем разработки последовательности определенных действий, то есть алгоритма, по окончании выполнения которого будет сформировано готовое изделие. Такой подход не позволяет спроектировать полностью новое изделие, однако I данная задача при проектировании и производстве большинства изделий, как правило, и не ставится. Подобный алгоритм представляет собой набор функций, в которых на вход каждой последующей функции поступают значения, полученные при выполнении предыдущих. Однако недостатком такого подхода является достаточно большое число алгоритмических функций, позволяющих конструировать изделие.

В настоящее время весьма актуальным является создание универсального алгоритма, позволяющего упростить разработку конкретного изделия любой сложности при помощи методов последовательного уточнения функциональных характеристик требуемого изделия. Данную проблему позволяет решить бурно развивающаяся в последние десятилетия теория фракталов. Основой теории фракталов, берущей свое начало с работ Бенуа Мандельброта (см. [1], [7], [78], [84]) является самоподобие природных структур на всех уровнях их существования. Согласно данному представлению, свойства всех объектов, имеющих фрактальную природу, рекурсивно подобны сами себе. Это свойство позволяет однозначно выделять на каждом уровне только существенные свойства, что значительно упрощает подход к созданию подобных алгоритмов. Другими словами, становится возможным создание рекурсивного алгоритма, позволяющего при помощи методов фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью и заранее определенными характеристиками. Иначе говоря, проблема сводится к формированию ограниченного набора самых «верхних» входных данных, от численного значения которых зависит конструкция изделия и степень детализации при его проектировании [11], [20], [22]. Подобный универсальный алгоритм будем называть прототипом объекта.

Использование прототипа позволяет проектировать конкретное изделие максимально быстро, в особенности при реализации алгоритма на базе ЭВМ [22]. Однако при непосредственном его использовании одной из главных проблем является трудность выделения необходимого и достаточного числа существенных свойств изделия на каждом рассматриваемом уровне. В данной работе под параметрами будем понимать признаки, однозначно выделяющие объект среди множества ему подобных. В отличие от подходов к пониманию параметров и процесса параметризации, описанных в работах отечественных ученых в области параметризации (Н. Ф. Четверухин, И. И. Котов, В. С. Полозов и др.), мы под параметрами будем понимать не только геометрические величины, определяющие исключительно форму и положение изделия. Под параметрами в данной работе понимаются величины любой природы, значения которых позволяют определить как геометрические, так и функциональные характеристики изделия. Параметры выступают в качестве входных данных к прототипу объекта. В настоящее время не существует единых подходов к определению необходимого числа параметров любой природы, поэтому данная задача решается в основном эмпирическим путем. Слишком малое число параметров существенно сокращает диапазон возможных функциональных характеристик изделий, которые можно заложить в проект и рассчитать. Слишком большое количество параметров чревато усложнением самого процесса проектирования. Также к недостаткам существующих методов (методов, не основанных на параметрическом представлении объекта, либо имеющих в своей основе только геометрическую параметризацию) относится отсутствие параметрического взаимоподчинения деталей в рамках узла или сборочной единицы, делающих невозможным гибкое его проектирование и использование рекурсивного фрактального алгоритма. Указанные недостатки зачастую не позволяют добиться желаемого результата — быстрой разработки и проектирования изделия.

Таким образом, задачу создания механизма, позволяющего быстро спроектировать изделие, можно поставить следующим образом: разработать принцип выделения и структурирования параметров прототипов. Данный принцип делает возможным создание универсального фрактального алгоритма, позволяющего на основании разработанной иерархической структуры изделия и иерархической структуры параметров деталей и узлов, составляющих изделие, упростить разработку изделия любой сложности при помощи методов последовательного уточнения его функциональных характеристик. Поставленная задача чрезвычайно востребована в таких прикладных областях, как проектирование элементов строительных конструкций, судостроении, машиностроении и пр. Решение поставленных задач является актуальным, так как большинство существующих систем, использующих понятие параметрический объект, обладают существенными недостатками [20], [21], [22], [23]. [85].

Цель исследования.

Целью исследования является разработка универсального алгоритма, позволяющего упростить разработку конкретного изделия любой сложности при помощи методов последовательного уточнения функциональных характеристик требуемого изделия, а также разработка методов хранения параметров прототипа и проектирования изделия на основе его структуры и ограниченного числа входных параметров.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Выделить способы проектирования, требующие развития и адаптации для использования в задаче многоуровневой параметризации на основе анализа существующих методов разработки конкретных параметрических изделий.

2. Определить необходимое и достаточное число параметров, используемых при проектировании изделия при помощи описанного выше универсального алгоритма на основе анализа теоретических основ параметризации.

3. Разработать способ хранения и представления иерархической структуры изделия.

4. Разработать способы хранения и задания параметров изделия любой сложности.

5. Разработать универсальный рекурсивный алгоритм построения изделия, позволяющий при помощи методов фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью и заранее установленными характеристиками, учитывающий его структуру и базирующийся на его параметрах.

6. Продемонстрировать эффективность разработанного компьютерного инструментария для решения практических задач проектирования изделия.

Научная новизна.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

• Разработан принцип многоуровневой параметризации и репараметризации объектов на основе представления изделия любой сложности в форме фрактальной структуры.

• Предложено описание, структура и способ хранения иерархических древовидных параметрических объектов и их параметров.

• Разработан механизм и универсальный алгоритм построения изделия, позволяющий при помощи методов фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью, учитывающий его структуру и базирующийся на его параметрах.

• Доказана применимость данного подхода и его эффективность по сравнению с другими способами работы с параметрическими объектами при построении различных объектов, имеющих сложную взаимоподчиненную структуру.

• Разработана технология применения программного продукта, использующего описанный алгоритм, для решения практических задач проектирования.

Практическая ценность.

Практическая ценность исследования заключается в разработке простых быстродействующих алгоритмов и компьютерных процедур, реализующих возможности универсального алгоритма многоуровневой параметризации и репараметризации для конструирования объектов на основании данных о его (элемента) иерархической структуре и описывающих его параметрах. На базе созданных алгоритмов и компьютерных процедур разработаны специализированные системы «КЗ-Мебель» (проектирование корпусной мебели), «КЗ-Коттедж» (проектирование деревянных домов из оцилиндрованного бревна и профилированного бруса). Системы являются законченными коммерческими программными продуктами, используемыми отечественными и зарубежными конструкторами и технологами (Белоруссии, Украины, Казахстана и пр.) и мебельными предприятиями.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы представлялись на международной конференции «Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении» (г. Ижевск, 2006 г.), на Международной конференции по компьютерной графике и визуализации «ГРАФИКОН-2006» (г. Новосибирск, 2006 г.), на Международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» Екатеринбург, 2007 г. Разработанное программное обеспечение демонстрировалось на Международных выставках в Москве, в Перми, в Новосибирске, в Казани, в Чебоксарах и других городах (2003 — 2008 годы).

На защиту выносятся следующие положения.

1. Описание структуры объекта любой сложности в виде иерархического дерева.

2. Описание объектов нижнего уровня с заданными ограничениями и конечным числом параметров, определяемым объектами верхних уровней.

3. Универсальный рекурсивный алгоритм, позволяющий при помощи методов фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью, учитывающий его структуру и базирующийся на его параметрах.

4. Система проектирования, использующая принципы многоуровневой параметризации и репараметризации, и обладающая преимуществами по сравнению с аналогами.

Диссертация содержит 151 страницу, 33 иллюстрации, 43 таблицы, 4 приложения. Приложения содержат 24 страницы.

Список литературы

содержит 85 наименований. По данной диссертационной работе опубликовано 7 трудов.

4.2 Выводы.

1. В рамках реализации механизмов многоуровневой параметризации и репараметризации объектов разработана структура базы данных шаблонов типовых составов, позволяющая:

• Представлять объект любой сложности в виде иерархической структуры;

• Осуществлять доступ к параметрам всех уровней дерева объектов;

• Осуществлять депараметризации) и репараметризации) объектов любого уровня.

2. Продемонстрирована эффективность механизма применительно к объектам мебельного производства.

3. Имеющаяся структура данных дополнена функциями задания стандартных объектов и наборов объектов.

4. Подтверждена применимость данного подхода к проектированию многоуровневых параметрических объектов с заранее определенными свойствами и предварительно установленной точностью.

Заключение

.

1. Анализ методов автоматизированного проектирования выявил наличие недостатков, связанных либо с трудоемкостью проектирования, либо с наличием жестких рамок при проектировании. Это, в первую очередь, связано с отсутствием универсального механизма параметрического проектирования. На основе анализа сделан вывод о необходимости разработки такого механизма.

2. Исследование сложных многоуровневых моделей изделий выявило фрактальные закономерности в их структуре, выражающиеся в принципиальном подобии свойств на всех уровнях. Для повышения качества проектирования подобных объектов необходима разработка механизма параметризации, основанного на представлении объекта в виде многоуровневой иерархической модели.

3. На основе известной теории геометрической параметризации выявлены схожие закономерности для негеометрических параметров и разработан общий подход к параметризации объектов.

4. Разработан механизм многоуровневой параметризации и репараметризации объектов любой сложности.

5. Разработан универсальный алгоритм, позволяющий упростить разработку конкретного изделия любой степени детализации с заданными характеристиками при помощи методов последовательного уточнения функциональных характеристик требуемого изделия. Таким образом, разработан рекурсивный алгоритм, позволяющий при помощи методов фрактального уточнения формировать конструкцию изделия с требуемой заранее установленной точностью и заранее определенными характеристиками.

6. Разработанный алгоритм реализован на языке программирования С++ и языке макропрограммирования системы «КЗ».

7. Разработана концепция и описан механизм многоуровневой иерархической структуры сложного объекта, делающие возможным использование механизмов многоуровневой параметризации и репараметризации любых объектов любого назначения.

8. Поскольку реализация данной концепции должна удовлетворять следующим условиям:

• простота создания дерева объектов и дерева параметров;

• простота редактирования структуры параметров;

• отсутствие специфических для какой-либо отрасли способов хранения информации о параметрах, было принято решение о реализации данной концепции посредством реляционной базы данных.

9. Разработанные методы создания многоуровневых параметрических моделей позволяют максимально быстро и максимально гибко создавать практически любое изделие с заранее заданной точностью детализации и заранее определенными характеристиками.

10. Применительно к системе проектирования мебели «КЗ-Мебель ПКМ» разработан способ проектирования и хранения информации о стандартных изделиях, построенных при помощи данной модели.