Разработка аналитического способа задания свободных поверхностей для решения геометрических задач в интегрированных системах CAD/САМ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Пирогов, Игорь Викторович

• Пирогов, Игорь Викторович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пирогов, Игорь Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 СТРУКТУРНЫЙ СОСТАВ CAD -, САМ - И CAD/CAM - СИСТЕМ

1.2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПРИ РАЗРЕШЕНИИ ЗАМКНУТОСТИ СИСТЕМ И ОБЪЕДИНЕНИЯ CAD И САМ В CAD/CAM - СИСТЕМУ. ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ

1.3 ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ В CAD/CAM - СИСТЕМАХ

1.4 ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ

ВИДАХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

1.5 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ В СВЕТЕ ТРЕБОВАНИЙ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫХ ЕМУ РАЗРАБОТЧИКАМИ CAD -, САМ -

И CAD/CAM - СИСТЕМ

1.6 УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ В ЧАСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПРОСТОТА В ЧАСТИ МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

1.7 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 47 ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДУЛЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВОБОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ CAD/CAM - СИСТЕМЫ

2.1 ОБЩАЯ СТРУКТУРА ИНТЕГРИРОВАННОЙ CAD/CAM - СИСТЕМЫ

2.2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

2.3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СВОБОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 97 ГЛАВА 3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ

3.1 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

В ФОРМАТЕ VDAFS 2.0 (1.0)

3.2 ОПИСАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ В ФОРМАТЕ STEP

3.3 ВНУТРЕННИЙ ФОРМАТ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ SRF,

МОДУЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВОБОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

3.4 ПОГРЕШНОСТЬ, ПРИ ПРЕДСТАВЛЕНИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО СВОБОДНЫМ ПОВЕРХНОСТЯМ, В ГРАФИЧЕСКИХ ФОРМАТАХ

3.5 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 141 ГЛАВА 4. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

4.1 СПЕЦИАЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

СВОБОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

4.2 АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДУЛЯ

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ

4.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МОДУЛЕЙ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВОБОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ

5.1 ПОЛУТОНОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МОДЕЛИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ

5.2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ РЕАЛЬНОГО МАСШТАБИРОВАНИЯ

5.3 ВОЗМОЖНОСТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ДЕТАЛИ В ВИДЕ УДОБНОМ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАЗРАБОТКИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ

5.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 183 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО РАБОТЕ 184 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 186 ПРИЛОЖЕНИЯ .191 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 192 ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка аналитического способа задания свободных поверхностей для решения геометрических задач в интегрированных системах CAD/САМ»

ВВЕДЕНИЕ

Закономерность последних десятилетий развития научно - технической революции позволяет сделать вывод, что объём проектно - конструкторских и про-ектно- технологических работ возрастает приблизительно в 10 раз каждые 10 лет. Одновременно с этим всё более актуальными становятся проблемы увеличения производительности труда разработчиков новых изделий, сокращения сроков проектирования, повышения качества разработки проектов, решение которых определяет уровень научно - технического прогресса общества. Исследования в этой области показали, что разрешение перечисленных задач напрямую связано с разработкой автоматизированных систем конструкторского проектирования (в дальнейшем CAD) и автоматизированных систем технологической подготовки производства (в дальнейшем САМ). Создано много надёжно работающих CAD - и САМ - систем. Но в последнее десятилетие появилось новое направление, создание универсальных интегрированных систем CAD/CAM, которое успешно развивается и в России.

Для промышленного производства CAD - и САМ -, а также CAD/CAM - системы приобретают всё большее значение. Особенно остро возникает необходимость в их использовании при проектировании и изготовлении деталей с фасонной формой, так как именно этим процессам свойственна высокая трудоёмкость. В настоящее время создан широкий спектр специализированных CAD - и САМ -систем, большая часть из которых автоматизирует такие операции, как быстрое и эффективное выполнение большого объёма вычислений, хранение и передача большого объёма информации, визуализация результатов проектирования с помощью средств машинной графики.

Несмотря на это, вопрос о расширении возможностей функционирования всех типов автоматизированных систем до сих пор остаётся наиболее актуаль-

ным. Для решения указанной проблемы необходимо разрабатывать специальные

функциональные модули, з результате чего будет повышаться эффективность

процесса проектирования изделия и точности его обработки.

Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования и обеспечение точности обработки сложных поверхностей изделий.

В работе решаются следующие научные задачи:

- вывод аналитических выражений для непрерывной и кусочной аппроксимации свободных поверхностей аналитическими сплайн - функциями;

- разработка системы вероятностных математических моделей на основе полученных аналитических зависимостей;

- разработка математических моделей описания свободных и комбинированных технических поверхностей на основе полученной системы вероятностных математических моделей;

- разработка методики представления моделей свободных поверхностей в соответствии со стандартными и специальными графико-технологическими форматами;

- разработка информационно - алгоритмического и программного обеспечения для представленных выше задач.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- модифицированная структура интегрированной системы CAD/CAM предназначенной для 3-х и 5-ти координатной обработки;

- математические модели деталей, содержащих свободные поверхности;

- методика представления геометрических данных по поверхностям деталей;

- специализированное информационно-алгоритмическое обеспечение ряда функциональных модулей модифицированной интегрированной системы CAD/CAM предназначенной для 3-х и 5-ти координатной обработки;

- ряд рекомендуемых специализированных программных функций для расширения функциональных возможностей интегрированных систем CAD/CAM.

Методы исследования. В работе использовались основные положения технологии машиностроения, методы системного анализа, методы структурного анализа, основные методы вычислительной геометрии, основные положения теории сплайнов и ряд других научных методов и теорий.

Научная новизна состоит в:

- создании концепции построения интегрированной системы CAD/CAM для формирования свободных поверхностей методом 3-х и 5-ти координатной фрезерной обработки;

- разработке способа задания свободных поверхностей путём аппроксимации их аналитическими сплайнами;

- разработке методики представления геометрических данных по поверхностям деталей;

- разработке математического аппарата описания, модификации и хранения свободных поверхностей.

В результате исследований сущности процесса проектирования свободных поверхностей и процесса многокоординатной обработки на станках с ЧПУ разработана непрерывная и кусочная аппроксимация аналитическими сплайн - функциями высокого порядка позволяющая с высокой степенью точности приблизить геометрический образ изделия к его техническому прототипу.

Практическая полезность заключается в:

- разработке комплекса алгоритмического и программного обеспечения для функционирования в составе интегрированной CAD/CAM - системы;

- применении модифицированной интегрированной CAD/CAM - системы для эффективного проектирования сложных поверхностей изделий;

- обеспечении регламентированной точности обработки сложных поверхностей изделий.

Реализация результатов работы. Данная работа проводилась в рамках программы «Конверсия и высокие технологии» по теме «Разработка и создание гаммы прецизионных обрабатывающих центров с интеллектуальной системой ЧПУ», а также в рамках неправительственной программы между Южной Кореей и Россией по теме «Изготовление, испытание и поставка опытного образца двухпо-зиционного, пятикоординатного обрабатывающего центра с ЧПУ модели ТСР-500».

Результаты работы нашли применение в виде встроенных программных модулей в интегрированную CAD/CAM-систему «Кредо», разработчиком которой является ОАО «Научно - Исследовательский Центр Автоматизированных Систем Конструирования». Кроме того завершена разработка резидентной САМ системы с элементами CAD для фирмы "TONGIL" (Южная Корея).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы в целом обсуждались на заседаниях кафедры «Теория технологических машин» МГТУ «СТАНКИН» в 1996-1998 гг., на научно-технической конференции «Точность автоматизированных производств» в г. Пензе в 1997 г., на «V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем» в г. Ростове-на-Дону в 1997 г., а также на научном семинаре «Информационные технологии НИЦ АСК в машиностроении» в ОАО «Научно - Исследовательский Центр Автоматизированных Систем Конструирования» в г. Москве в 1998 г.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Пирогов, Игорь Викторович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО РАБОТЕ

Для достижения цели, сформулированной в первой главе работы, был проведён ряд исследований и разработаны новые программные продукты, результаты чего представлены выше. Всё это позволяет сделать следующие выводы:

1. при разработке новых автоматизированных систем следует сочетать преимущества как универсальных, так и специализированных систем конструкторского и технологического проектирования;

2. получен ряд аналитических зависимостей для непрерывной и кусочной аппроксимации свободных поверхностей аналитическими сплайн - функциями, что позволило разработать систему вероятностных математических моделей и собственно математические модели описания свободных и комбинированных технических поверхностей;

3. показано преимущество моделирования свободных и комбинированных технических поверхностей с применением аналитических сплайн - функций по сравнению с моделированием таких же поверхностей при помощи стандартных сплайн - функций (полиномиальных сплайнов, NURBS -сплайнов, сплайнов Безье, бикубических сплайнов), которое заключается в уменьшении погрешности моделирования этих поверхностей и сокращении времени проектирования;

4. при разработке новых автоматизированных систем необходимо предусматривать возможность работы этих продуктов с международными гра-фико-технологическими форматами (VDA FS, STEP, ¡GES), что делает программный пакет конкурентоспособным на мировом рынке;

5. показана необходимость разработки новых стандартов, что позволит в дальнейшем использовать их как в уже существующих автоматизированных системах, так и в перспективных разработках;

6. разработано оригинальное алгоритмическое обеспечение для новых программных модулей, что позволило наиболее полно использовать возможности математического обеспечения специально разработанного для этих программных продуктов;

7. для расширения функциональных возможностей представленных в работе программных продуктов, был разработан ряд специализированных функций (функция реального масштабирования (offset), функция объединения поверхностей, функция реалистичного представления проектируемой детали).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пирогов, Игорь Викторович, 1998 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении, под редакцией Ю. ivl. Соломенцева, В .Г. Митрофанова - М.: Высшая школа, 1986.

2. Н. И. Ахиезер. Лекции по теории аппроксимации - М.: Наука, 1965.

3. Л. Баранов, С. Бикулов, А. Ефремов, С. Козлов, Д. Ксенофонтов, С. Кураксин. Т-FLEX CAD - новая технология построения САПР, в журнале "Автоматизация проектирования", №1 1996.

4. Н. С. Бахвалов. Численные методы - М.: Наука, 1973.

5. Р. Беллман. Динамическое программирование - М.: Наука, 1960.

6. И. С. Березин, Н. П. Жидков. Методы вычислений, тт. 1,2 - М.: Наука, 1966.

7. С. Бикулов, С. Кураксин. T-FLEX CAD - российская параметрическая САПР, в журнале "Компьютер Пресс", №4 1997.

8. В. Г. Болтянский. Оптимальное управление дискретными системами - М.: Наука, 1973.

9. А. А. Боровков. Курс теории вероятностей - М.: Наука, 1972.

10. В. Вермель, С. Зарубин, П. Николаев. Геометрическое моделирование и программирование обработки на станках с ЧПУ, в журнале "Компьютер Пресс", №4 1997.

11. Д. А. Владимиров. Булевы алгебры - М.: Наука, 1969.

12. Ф. Р. Гантмахер. Теория матриц - М.: Наука, 1966.

13. И. М. Гельфанд, С. В. Фомин. Вариационное исчисление - М.: Физматгиз, 1962.

14. А. О. Гельфонд. Исчисление конечных разностей - М.: Наука, 1967.

15. В. Гилой. Интерактивная машинная графика - М.: Мир, 1982.

16. Дж. Альберг, Э. Нилсон, Дж. Уолш. Теория сплайнов и их приложения - М.: Наука, 1972.

17. Г. Данциг. Линейное программирование - М.: Прогресс, 1966.

18. К. Де Бор. Практическое руководство по сплайнам - М.: Наука, 1983.

19. С. М. Ермаков. Методы Монте-Карло и смежные вопросы - М.: Наука, 1971.

20. Н. В. Ефимов. Квадратичные формы и матрицы - М.: Наука, 1972.

21. Ю. С. Завьялов, Б. И. Квасов, В. Л. Мирошниченко. Методы сплайн - функций -М.: Наука, 1980. .

22. В. П. Иванов, А. С. Батраков. Трёхмерная компьютерная графика - М.: Радио и связь, 1994.

23. В. А. Ильин, Э. Г. Позняк. Аналитическая геометрия - М.: Наука, 1971.

24. Интегральные уравнения - М.: Наука, 1968.

25. Л. В. Канторович, В. И. Крылов. Приближённые методы высшего анализа - М.: Физматгиз, 1962.

26. Л. Коллатц. Функциональный анализ и вычислительная математика - М.: Мир, 1969.

27. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров - М.: Наука, 1973.

28. В. П. Корячко, В. М. Курейчик, И. П. Норенков. Теоретические основы САПР -М.: Энергоатомиздат, 1987.

29. Н. Е. Кочин. Векторное исчисление и начала тензорного исчисления - М.: изд-во АН СССР, 1961.

30. А. Крючков. Новая технология автоматизированного решения инженерных задач, в журнале "Компьютер Пресс", №4 1997.

31. Л. Д. Кудрявцев. Математический анализ, тт. 1,2 - М.: Высшая школа, 1971.

32. А. М. Летов. Устойчивость нелинейных регулируемых систем - М.: Физматгиз, 1962.

33. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) - М.: Физматгиз, 1962.

34. С. Г. Михлин, X. Л. Смолицкий. Приближённые методы решения дифференциальных и интегральных уравнений - ¡VL: Наука, 1S85.

35. H. Н. Моисеев. Численные методы в проблемах синтеза оптимальных систем -М.: Наука, 1972.

36. П. С. Новиков. Элементы математической логики - М.: Наука, 1973.

37. И. П. Hоренков. Введение в автоматизированное проектирование - М.: Высшая школа, 1986.

38. И. П. Норенков. Разработка систем автоматизированного проектирования - М.: изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1994.

39. У. Ньюмен, Р. Спрулл. Основы интерактивной графики - М.: Мир, 1985.

40. А. И. Петренко, О. И. Семенков. Основы построения систем автоматизированного проектирования - Киев: Высшая школа, 1984.

41. А. В. Петров, В. М. Чёрненький. Разработка САПР в 10-ти книгах - М.: Высшая школа, 1990.

42. Ю. А. Розанов. Случайные процессы - М.: Наука, 1971.

43. Б. Саймон. Стиль программирования пользовательский интерфейс WINDOWS 95, в журнале PC Magazine / Russian edition, №9 1995.

44. И. С. Сокольников. Тензорный анализ (теория и применения в геометрии и в механике сплошных сред) - М.: Наука, 1971.

45. С. Б. Стечкин, Ю. Н. Субботин. Сплайны в вычислительной математике - М.: Наука, 1976.

46. С. Уилкс. Математическая статистика - М.: Наука, 1967.

47. Д. К. Фаддеев, В. Н. Фаддеева. Вычислительные методы линейной алгебры -М.: Физматгиз, 1963.

48. Ф. Факс, М. Пратт. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве - М.: Мир, 1982.

49. С. Феферман. Числовые системы. Основания алгебры и анализа - М.: Наука, 1971.

50. А. В. Фролов, Г. В. Фролов. Операционная система WINDOWS 95 для программистов - М.: Диалог - МИФИ, 1996.

51. Функциональный анализ - М.: Наука, 1972.

52. П. Халмош. Конечномерные векторные пространства - М.: Физматгиз, 1963.

53. Д. Хедли. Нелинейное и динамическое программирование - М.: Мир, 1967.

54. Р. В. Хемминг. Численные методы - М.: Наука, 1972.

55. В. Н. Четвериков, Э. Н. Самохвалов, Г. И. Ревунков. Базы и банки данных - М.: Высшая школа, 1987.

56. Е. В. Шикин, А. В. Боресков. Компьютерная графика - М.: Диалог - МИФИ, 1995.

57. Е. В. Шикин, А. И. Плис. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по сплайнам для пользователей - М.: Диалог - МИФИ, 1996.

58. Г. Шпур, Ф. -Л. Краузе. Автоматизированное проектирование в машиностроении - М.: Машиностроение, 1988.

59. Р. Эдварде. Функциональный анализ - М.: Мир, 1969.

60. CAD - Systeme CATIA, Informationszeitschrift - Stuttgart: 1995.

61. J. Encarnacao. Computer Graphics, eine Einfuehrung in die Programmierung und Anwendung von graphischen Systemen - Oldenbourg Munich, 1975.

62. J. Encarnacao, W. Giloi, J. Saniter, W. Strasser, K. Waldschmidt. Programmierungs

und geraetetechnische Realisierung einer 4x4 Matrix fuer Koordinatentransformationen auf Computer Bildschirmgeraeten - in Zeitschrift "Rechenanlagen", №5 1972.

63. Exapt Anwendund, Informationszeiischrift - Frankfurt: 1995.

64. J. D. Foley, A. vom Dam, S. K. Feiner, J. F. Hugues. Computer graphics. Principies and practice - Addison Wesley Pub. Com., 1991.

65. ICE M Anwendung, Inform atio n szeiis chrift - Frankfurt: 1994.

66. ICE Magazin, informationszeitschrift, №9 November-Frankfurt: 1995.

67. W. Kestner. Ueber die Erzeugung und Handhabung graphischer Objekte in digitalen Rechenanlagen, Ph. 0. thesis - Technical University of Berlin, 1974.

68. A. Mund. VDA - Flaechenschnittstelle (VDA FS), Version 2.0 - Frankfurt: Verband der Deutschen Automobilindustrie, 1987.

69. U. Rembold, B. O. Nnaji, A. Storr. CIM: Computeranwendung in der Produktion -Bonn: Addison Wesley Company, 1996.

70. E. G. Schlechtendahl. CAD Data Interface for Solid Models - Berlin: Springer, 1989.

71. W. Strasser. Schnelle Kurven - und Flaechendarstellung auf graphischen Sichtgeraeíen, Ph. D. thesis - Technical University of Berlin, 1974.

72. Tebis Anwendung, Informationszeitschrift - Muenchen: 1995.

73. VDA FS: Flaechenschnittstelle, Version 1.0 - Frankfurt: Verband der Deutschen Automobilindustrie, 1984.