Автоматическое построение трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования

2.1 Анализ существующих решений на основе патентного анализа

Известен способ построения трехмерной геометрической модели (ТГМ) изделия, используемый в системе графического браузера для отображения и управления компьютерной моделью, называемой также системой геометрического моделирования (патент США №5815154 "Система графического браузера для отображения и управления компьютерной моделью" от 29 сентября 1998 года), который предоставляет пользователю возможность строить на экране компьютера модель изделия и управлять этой моделью, используя клавиатурные команды, комбинации мыши/курсора и другие средства ввода. Изменения в модели отображаются на экранном изображении модели в тот момент, когда пользователь производит изменения или в ответ на действия пользователя, передающего специальную команду для обновления экранного изображения модели. В указанном способе используется раздельное представление компьютерной модели в виде графического изображения трехмерной модели в одной части экрана и пиктограмм составляющих ее элементов в другой части экрана, которые отображаются в определенном порядке, связанном с порядком создания элементов модели и взаимосвязями элементов между собой. При этом пользователь может получить доступ ко всем характеристикам модели, используя как графическое представление, так и пиктограммы элементов конструкции[3]. Данный способ при всех своих достоинствах имеет существенные недостатки при его использовании в процессе проектирования на компьютере, когда для каждого нового варианта проектируемого изделия производится построение большого количества моделей элементов конструкции, во многих случаях имеющих схожую форму. В этом случае пользователю необходимо каждый раз вручную выполнять построение компьютерных моделей элементов изделия и самого изделия, осуществляя множество типовых операций в процессе построения[4]. Поэтому ставится задача устранения указанных выше недостатков, а именно: автоматическое построение ТГМ элементов изделий и самих изделий в процессе проектирования на основании заданной последовательности операций.

2.2 Автоматическое построение ТГМ элементов изделий и самих изделий в процессе проектирования на основании заданной последовательности операций

Указанная задача достигается тем, что в способе автоматического построения ТГМ изделия в системе геометрического моделирования, предоставляющего пользователю возможность строить на экране монитора модель изделия и управлять этой моделью, используя клавиатурные команды, комбинации мыши/курсора и другие средства ввода, при этом изменения в модели отображаются на экранном изображении модели в тот момент, когда пользователь производит изменения или в ответ на действие пользователя, передающего специальную команду для обновления экранного изображения, построение модели изделия осуществляют с использованием средств задания, выбора и выполнения последовательности операций автоматического построения ТГМ изделия по данным компьютерной математической модели (КММ), при этом сначала выбирают те данные КММ, которые будут использованы для построения ТГМ, и задают последовательность операций автоматического построения при помощи средства выбора данных КММ, затем выполняют чтение выбранных пользователем данных КММ при помощи средства автоматического чтения числовых данных КММ, далее осуществляют преобразование выбранных данных в значения геометрических параметров элементов ТГМ изделия при помощи средства автоматического преобразования числовых данных КММ, после чего осуществляют извлечение из предварительно созданной базы данных трехмерных геометрических моделей-примитивов при помощи средства взаимодействия с указанной базой данных, изменяют значения их параметров в соответствии с данными КММ при помощи средства для изменения значений параметров трехмерных геометрических моделей-примитивов и выполняют при помощи средства динамического построения ТГМ элемента конструкции динамическое построение ТГМ тех элементов изделия, трехмерные геометрические модели-примитивы которых отсутствуют в базе данных, помещают полученные ТГМ элементов изделия в ТГМ сборки изделия и накладывают сопряжения, фиксирующие положения ТГМ каждого элемента изделия в сборке, при помощи средства автоматического построения ТГМ изделия в виде сборки, состоящей из ТГМ элементов изделия. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что для автоматического построения ТГМ изделия, последовательность необходимых операций задается однократно, а затем автоматически выполняется для каждого нового варианта изделия. Заданная последовательность операций применяется для различных вариантов модели изделия, имеющих однотипную конструкцию, но различные геометрические параметры, при этом предлагаемый способ позволяет полностью исключить ручной ввод данных ТГМ, который является источником потенциальных ошибок в случае, когда строится ТГМ изделия, имеющего сотни параметров[5]. 2.3 Схема проектируемой модели На рисунке 3 изображена схема функционирования и взаимодействия средств, входящих в состав способа автоматического построения ТГМ изделия в системе геометрического моделирования. Описываемые средства являются программами, поэтому называются также программными модулями[6].

На приведенной схеме использованы следующие обозначения: 1 – компьютерная математическая модель изделия (КММ); 2 – средство выбора пользователем тех данных КММ, которые будут использованы для построения ТГМ и задания последовательности операций построения (СВДМ); 3 – средство автоматического чтения числовых данных компьютерной математической модели (САЧД); 4 – средство автоматического преобразования числовых данных КММ в значения геометрических параметров элементов ТГМ (САПД); 5 – средство автоматического построения ТГМ в режиме реального времени (САПМ); 6 – средство взаимодействия с базой данных (далее БД) трехмерных геометрических моделей-примитивов (СВБД); 7 – база данных трехмерных геометрических моделей-примитивов (БД); 8 – средство для изменения значений параметров трехмерных геометрических моделей-примитивов (СИЗП); 9 – средство динамического построения ТГМ элемента конструкции, отсутствующего в базе данных (СДПМ); 10 – средство автоматического построения ТГМ изделия в виде отдельной сборки, состоящей из ТГМ деталей изделия, на которые автоматически наложены сопряжения (САПМС); 11 – система геометрического моделирования (СГМ).

Рисунок 3 – Схема функционирования и взаимодействия средств автоматического построения ТГМ изделия

Под КММ изделия понимается программа расчета параметров изделия и моделирования физических процессов, протекающих в изделии, которая выполняет также расчет геометрических параметров изделия (например, программа расчета аэродинамических характеристик планера позволяет рассчитывать различные геометрические параметры: положение несущих поверхностей, размеры несущих поверхностей, профиль планера, программа расчета ракетного двигателя твердого топлива позволяет рассчитывать геометрию камеры, соплового блока, заряда)[7]. Под трехмерной геометрической моделью-примитивом понимается модель базового элемента конструкции, который не включает в себя каких-либо других элементов. Под средством выбора пользователем тех данных компьютерной математической модели, которые будут использованы для построения ТГМ (СВДМ), понимается программный модуль (программа), позволяющая пользователю в диалоговом режиме осуществить выбор необходимых данных КММ и задать требуемую последовательность операций построения. Под средством автоматического чтения числовых данных компьютерной математической модели (САЧД) понимается программный модуль (программа), выполняющий автоматическое чтение данных КММ с учетом заданного месторасположения этих данных (жесткий диск локального компьютера, локальная компьютерная сеть и т.д.). Под средством автоматического преобразования числовых данных компьютерной математической модели в значения геометрических параметров элементов ТГМ (САПД) понимается программный модуль (программа), осуществляющий преобразование числовых данных КММ в значения геометрических параметров ТГМ конструкции. Под средством автоматического построения ТГМ в режиме реального времени (САПМ) понимается программный модуль (программа), реализующий заданную последовательность операций автоматического построения, управляя работой СВБД, СИЗП и СДПМ. Под базой данных трехмерных геометрических моделей-примитивов понимается предварительно созданная база данных, в которой хранятся трехмерные геометрические модели-примитивы. Под средством взаимодействия с БД трехмерных геометрических моделей-примитивов (СВБД) понимается программный модуль (программа), преобразующий запросы на копирование трехмерных геометрических моделей-примитивов в формат БД. Под средством для изменения значений параметров трехмерных геометрических моделей-примитивов в соответствии с данными компьютерной математической модели (СИЗП) понимается программный модуль (программа), изменяющий значения геометрических параметров трехмерных геометрических моделей-примитивов, скопированных из БД. Под средством динамического построения ТГМ элемента конструкции, отсутствующего в базе данных (СДПМ), понимается программный модуль, осуществляющий динамическое построение ТГМ элементов изделия, которых нет в БД, используя заданную последовательность операций построения и средства СГМ. Под средством автоматического построения ТГМ изделия в виде отдельной сборки, состоящей из ТГМ элементов изделия, на которые автоматически наложены сопряжения (САПМС), понимается программный модуль (программа), осуществляющий автоматическое построение ТГМ изделия в виде отдельной сборки путем добавления в нее ТГМ элементов, составляющих изделие, и наложения на них сопряжений (ограничений), фиксирующих их положение в ТГМ изделия. Указанная КММ, поз.1, представляет собой компьютерную программу для математического моделирования проектируемого изделия, разработанную ранее и функционирующую независимо от средств способа автоматического построения ТГМ изделия в системе геометрического моделирования и самой системы геометрического моделирования. Автоматическое построение ТГМ осуществляется следующим образом: вначале пользователь при помощи СВДМ, поз.2, выбирает, какие данные компьютерной математической модели будут использованы для построения ТГМ изделия. Далее при помощи САЧД, поз.3, осуществляется автоматическое чтение данных компьютерной математической модели, выбранных пользователем. Используя заранее определенную последовательность операций построения, САПД, поз.4, осуществляет автоматическое преобразование выбранных числовых данных компьютерной математической модели в значения геометрических параметров элементов трехмерной геометрической модели изделия. Если последовательность операций автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия не известна, то пользователь должен ее определить при помощи СВДМ, поз.2. Далее, в соответствии с выбранной ранее последовательностью операций построения, осуществляется автоматическое построение ТГМ изделия при помощи САПМ, поз.5. При этом часть элементов, входящих в ТГМ сборки изделия, копируется из БД трехмерных геометрических моделей-примитивов посредством взаимодействия между СВБД, поз.6, и БД, поз.7, при этом значения их геометрических параметров изменяются в соответствии со значениями данных КММ при помощи СИЗП, поз.8, а другая часть ТГМ элементов изделия, отсутствующих в БД, строится динамически при помощи СДПМ, поз.9. Далее при помощи САПМС, поз.10, полученные ТГМ элементов изделия затем помещаются в ТГМ сборки изделия и на них автоматически накладываются сопряжения, фиксирующие положения модели элемента изделия в сборке. Если последовательность операций, необходимых для построения ТГМ изделия, не определена, то пользователю необходимо определить данную последовательность однократно, после чего она будет автоматически использована в дальнейшем. Все программные модули, входящие в реализацию способа автоматического построения ТГМ изделия в системе геометрического моделирования, либо работают в СГМ, поз.11, либо тесно взаимодействуют с ней, что на схеме отображено пунктирным блоком, охватывающим все описанные программные модули. Способ автоматического построения ТГМ изделия в системе геометрического моделирования программно реализован и использован при проектировании сложных технических изделий на примере компонентов летательных аппаратов: планер, двигатель, гирокоординатор[8]. Способ автоматического построения трехмерной геометрической модели (ТГМ) изделия в системе геометрического моделирования, включающий построение пользователем на экране монитора модели изделия и управление этой моделью, используя клавиатурные команды, комбинации мыши/курсора, при этом изменения в модели отображаются на экранном изображении модели в тот момент, когда пользователь производит изменения или в ответ на действие пользователя, передающего команду для обновления экранного изображения, отличающийся тем, что построение модели изделия осуществляют с использованием средств задания, выбора и выполнения последовательности операций автоматического построения ТГМ изделия по данным компьютерной математической модели (КММ), при этом сначала выбирают те данные КММ, которые будут использованы для построения ТГМ, и задают последовательность операций автоматического построения при помощи средства выбора данных КММ, затем выполняют чтение выбранных пользователем данных КММ при помощи средства автоматического чтения числовых данных КММ, далее осуществляют преобразование выбранных данных в значения геометрических параметров элементов ТГМ изделия при помощи средства автоматического преобразования числовых данных КММ, после чего осуществляют извлечение из предварительно созданной базы данных трехмерных геометрических моделей-примитивов при помощи средства взаимодействия с указанной базой данных, изменяют значения их параметров в соответствии с данными КММ при помощи средства для изменения значений параметров трехмерных геометрических моделей-примитивов и выполняют при помощи средства динамического построения ТГМ элемента конструкции динамическое построение ТГМ тех элементов изделия, трехмерные геометрические модели-примитивы которых отсутствуют в базе данных, помещают полученные ТГМ элементов изделия в ТГМ сборки изделия и накладывают сопряжения, фиксирующие положения ТГМ каждого элемента изделия в сборке, при помощи средства автоматического построения ТГМ изделия в виде сборки, состоящей из ТГМ элементов изделия.