Общие сведения о системах автоматического моделирования (САПР)

Системы автоматического моделирования САПР и моделирования САМ

1. Общие сведения о системах автоматического моделирования (САПР)

1.1 Структура, средства и организация САПР. Первые САПРы реализованы для электронных цепей. Это было обусловлено как усложнением задач проектирования радиоэлектронной аппаратуры связи с переходом к интегральной технологии, так и возможностью формализации процессов моделирования и оптимизации электронным цепей, а для некоторых классов цепей формального синтеза схемных структур по заданным передаточным характеристикам.
Дальнейшее совершенствование технических средств САПР (ЭВМ, периферийного оборудования, дисплейной техники), повышении их производительности и надежности послужило стимулом для разработки САПР в других сферах науки и техники, например, в строительной механике, архитектуре, самолетостроении.
Процесс автоматизированного проектирования условно можно разделить на четыре этапа:
- анализ технического задания (ТЗ) на проектируемое устройство;
- выбор структуры устройства и начальных значений параметров его компонентов;
- математическое моделирование и параметрическая или структурная оптимизация устройства;
- подготовка выходной документации на проектируемое устройство.
На этапе анализа ТЗ проектировщик-пользователь САПР принимает решение о способе реализации проекта и выборе средств для достижения требуемых характеристик. Здесь возможны следующие варианты:
- техническому заданию может соответствовать одно из устройств, разработанных ранее;
- прототипы для проектируемого устройства отсутствуют;
- некоторые этапы проектирования допускают формализацию.
На этапе выбора структуры устройства и начальных значений параметров его компонентов исходная информация может быть получена либо из фонда типовых решений, либо задана пользователем на некотором формальном языке. В первом случае для исходного решения выбирается некоторый прототип, во втором структуру синтезирует пользователь.
На этапе математического моделирования по исходной структуре устройства и параметрам его компонентов, заданным некоторым формальным способом, автоматически формируется математическая модель, описывающая поведение устройства в интересующих пользователя частотной или временной областях. Анализируя результаты решения уравнений, пользователь оценивает соответствие модели проектируемого устройства заданным характеристикам. При этом возможны следующие варианты:
- характеристики не соответствуют ожидаемым результатам и требуется внести существенные изменения в структуру проектируемого устройства;
- результаты достаточно хорошо согласуются с ожидаемыми характеристиками, но для удовлетворения требованиям ТЗ необходимо определить оптимальные значения параметров одного или нескольких компонентов устройства;
- требования ТЗ удовлетворены полностью и полученное структурное решение устройства может быть положено в основу реализации.
Для первых двух вариантов процесс автоматизированного проектирования носит итерационный характер. На каждой итерации осуществляются направленные изменения в исходном проекте. Они могут осуществляться либо автоматически, например в случае параметрической оптимизации с использованием методов математического программирования, либо пользователем.
Этап подготовки выходной документации обобщает результаты проектирования и представляет их в форме, необходимой для осуществления технической реализации.
Несмотря на значительные достижения в реализации конкретных САПР, существующие системы обладают рядом ограничений, препятствующих их широкому внедрению. Весьма значительная также трудоемкость разработки самих САПР, в особенности их программного обеспечения, которое в сущности и представляет материальную реализацию САПР.
Дальнейшее совершенствование САПР, повышение их эксплуатационных качеств связано с необходимостью разработки основ теории проектирования САПР, отражающей как накопленный опыт в области создания человеко-машинных комплексов обработки данных, так и современные подходы к созданию сложных операционных систем.
Основными факторами, обеспечивающими эффективность внедрения САПР в конкретную отрасль промышленности, являются время разработки САПР, уровень ее проблемной ориентации, спектр решаемых с помощью САПР задач, затраты времени и средств на решение каждой конкретной задачи.
Важнейшей частью процесса проектирования является этап математического моделирования, позволяющий количественно и качественно оценить поведение проектируемого объекта посредством анализа его математической модели. Здесь имеются два подхода, соответственно связанных с разработкой универсальных языков моделирования и специализированных (проблемно-ориентированных) систем моделирования.
При первом подходе пользователю предоставляются средства, позволяющие автоматизировать процесс составления описания объекта, окружающей среды, моделей и методов их анализа, т. е. средства автоматизации программирования специализированных задач моделирования. При втором подходе пользователь работает с системой, решающей узкий круг задач, но снабженной высокоуровневым языком общения, приближенным к языку предметной области.
Методологической основой процесса проектирования является совместное использование методов синтеза и анализа математических моделей проектируемых объектов. Процедуру синтеза модели объекта следует рассматривать как реализацию алгоритма отображения объективных законов функционирования объекта на систему математических зависимостей при соблюдении изоморфизма (однозначного соответствия) между структурой и параметрами объекта и модели. Анализ модели позволяет оценить правильность выбора структуры и параметров объекта и, при необходимости, осуществить целенаправленную коррекцию модели, следовательно, проектируемого объекта. Таким образом, целенаправленный многовариантный анализ моделей является основой алгоритмов автоматизированного проектирования.
Наиболее широкий класс математических моделей объектов проектирования с непрерывным характером поведения представлен совместными системами алгебро-дифференциальных уравнений. Этот класс моделей соответствует различным типам объектов - от электронных цепей до летательных аппаратов. Тем не менее класс моделей типа дифференциальных уравнений имеет широкий спектр возможных реализаций. Так, системы уравнений, описывающие электронные цепи, характеризуются большими размерностями, но относительно несложными зависимостями между переменными, а модели летательных аппаратов, наоборот, характеризуются относительно малой размерностью, но достаточно сложной зависимостью между переменными.
Объектная среда САПР представляет собой средства (аппаратные и программные) реализации математических моделей. САПР использует стандартные (серийную аппаратуру ЭВМ и операционные системы), а также проблемные программные средства, реализующие прикладные алгоритмы. Языковые формализмы представления математических моделей определяют проблемно-языковый интерфейс пользователя и системы моделирования. САПР, как некоторая система обработки, включает компилирующую часть для трансляции формальных спецификаций (например, описания объектов, задания на анализ) во внутреннее представление, т.е. на язык интерпретации, и интерпретирующую часть программы решения специфицированных задач. При этом эффективность программного обеспечения в основном определяется способами организации вычислительного процесса, информационной базы и взаимодействия с пользователем.
При реализации программного обеспечения САПР, представляющего собой сложный программный продукт, основным критерием эффективности является концептуальное единство всего проекта. При этом потенциально лучшие варианты компонентов программного продукта могут быть отвергнуты в пользу главной цели-достижения работоспособности программной системы в установленные разумные сроки.
В области программного обеспечения для систем, приближающихся к сложным, уже недостаточно двух основных критериев эффективности алгоритмов (программ), т.е. скорости вычислений и затрат памяти. Все более существенным критерием является время достижения работоспособности программного обеспечения, т.е. продолжительность разработки. При этом два предыдущих критерия следует рассматривать не в качестве функций цели, а в качестве ограничений. Например, если имеющиеся ресурсы времени центрального процессора и памяти удовлетворяют требуемым характеристикам, то этого достаточно для использования проверенных программ, естественно, при их функциональной эквивалентности с теоретически лучшими.



1.2 Общие положения программного обеспечения САПР

При разработке программного обеспечения универсальной системы математического моделирования и параметрической оптимизации непрерывных систем различной физической природы был выбран класс математических моделей, описываемых совместными системами из алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений. Таким классом моделей представляются электронные цепи, системы автоматического регулирования и управления, электронно-механические системы, летательные аппараты и другие объекты с сосредоточенными параметрами, т.е. достаточно широкий набор объектов различной физической природы.
Как известно, чем универсальнее система моделирования, тем большим арсеналом изобразительных и алгоритмических средств она должна обладать и, следовательно, тем сложнее ее использовать при решении каждой частной задачи. Система, ориентированная на решение узкого класса задач, удобна для пользователя, но обладает ограниченными возможностями. Поэтому весьма актуальна проблема создания системы, сочетающей свойства универсальности (в смысле решаемых ею задач) со свойствами проблемно-ориентированной системы с точки зрения каждого конкретного пользователя.
Такая система должна обладать следующими свойствами:
а) быть открытой, обеспечивая легкую настройку на решение конкретных задач и расширение функциональных возможностей;
б) пользователи не должны иметь каких-либо специальных знаний о принципах ее работы, а при постановке задач моделирования имели бы возможность формулировать их в терминах предметной области;
в) модель объекта моделирования должна полностью задаваться пользователем, как и задание на ее исследования без использования значений по умолчанию;
г) предусматривать средства диагностики возможных ошибок и их корректирования;
д) предопределять как пакетный, так и интерактивный режимы работы;
е) выдавать оперативную информацию о своем состоянии по требованию пользователя;
ё) предусматривать возможности прерывания процессов с восстановлением контрольных точек загрузки в любой удобный для пользователя момент времени;
ж) реализация системы должна быть основана на базе стандартных ЭВМ и операционных систем.
Эти основные требования учитывались при разработке архитектурных решений программного обеспечения универсальной системы моделирования.
Чтобы система моделирования могла быть легко адаптирована на решение конкретных задач в их предметной постановке, в составе программного обеспечения выделены проблемно-ориентированная и инвариантная части. Проблемно-ориентированная часть включает набор трансляторов с проблемно-ориентированных языков. Проблемно-ориентированные языки позволяют пользователю ставить задачи моделирования в терминах предметной области, а трансляторы с этих языков переводят описание объекта и задание на исследование на промежуточный язык системы, отражающий чисто математическую постановку задачи моделирования. Промежуточный язык является входным языком инвариантной части системы, выполняющей непосредственно численный анализ и оптимизацию модели.
Использование единого промежуточного языка представления математических моделей объектов проектирования, независимо от внешних форм представления этих объектов, позволило создать систему, сочетающую универсальный характер по классу решаемых задач с проблемной ориентацией при решении каждой конкретной задачи.
Инвариантная часть системы моделирования, воспринимающая промежуточный язык и объединяющая набор программ численного анализа представляет собой ядро универсальной системы.
Математическая модель объекта, представленная на промежуточном языке системы, анализируется численными методами, и результаты анализа модели служат для оценки поведения объекта и принятия решений о дальнейших исследованиях. Для эффективной организации процесса моделирования и оптимизации в режиме диалога алгоритмы функционирования должны предусматривать возможность оперативного управления режимами работы системы. Вмешательство пользователя в процесс обработки данных должно восприниматься без существенных задержек и обрабатываться с минимально возможными временными затратами. Принципиальная особенность работы ядра в режиме диалога заключается в том, что оно должно взаимодействовать с другими частями системы по принципу асинхронного управления. Инициализация работы ядра должна осуществляться пользователем либо непосредственно по сигналам прерывания, либо по заданному диалогом алгоритму, а ядро, в свою очередь, после выполнения некоторой элементарной работы должно выдавать сигнал прерывания, свидетельствующий о готовности ядра выполнить следующее
задание.
На рисунке 1 показана структурная схема окружения ядра. Исходной информацией для ядра служит структурное описание математической модели, содержащее информацию о составе уравнений модели, их взаимосвязях по переменным, компонентное описание отдельных уравнений, содержащее информацию о правилах вычисления коэффициентов при переменных и правых частях, текущее значение параметров модели, заданных в исходном описании либо модифицированных блоками оптимизации, а также вид анализа сопровождаемый установочными параметрами.


























Рисунок 1. – Структурная схема окружения ядра системы модулирования.














2 Системы автоматизированного моделирования (САМ) и проектирования (САПР) в робототехнических комплексах (РТК)

2.1 Архитектура САМ и САПР для РТК. Программное обеспечение робототехнических комплексов (РТК) должно обеспечивать синтез законов управления и анализ кинематики и динамики РТК для оптимального и безопасного функционирования РТК при выполнении заданных технологических операций в произвольных рабочих средах, для создания удобных средств отображения результатов синтеза, анализа и моделирования РТК.
В соответствии с этим можно сформулировать основные задачи, которые должна решать система автоматизированного моделирования и проектирования, а именно:
- синтез исполнительного механизма РТК;
- прямая и обратная задачи кинематики;
- прямая и обратная задачи динамики;
- планирование выполнения технологических операций;
- синтез законов управления (как для транспортных операций, так и для контурного управления);
- анализ пространственного расположения робота во время функционирования по заданному или синтезированному закону управления.
Система автоматизированного моделирования предназначена для исследования РТК без проведения натурных экспериментов и изготовления прототипа разрабатываемого устройства. Система моделирования позволяет синтезировать законы управления манипуляторами, вычислять геометрию манипуляторов в процессе выполнения рабочих операций, определять точки столкновений в процессе функционирования механизмов, решать прямую и обратную задачи кинематики, выполнять расчет динамики движения исследуемого механического устройства. Общение пользователя с системой моделирования выполняется в диалоговом режиме. Дружественный графический интерфейс сопровождает весь процесс решения задачи.
Данный подход позволяет создать программный продукт, способной исследовать РТК с произвольной конструкцией исполнительного механизма. Обобщенная структура системы автоматизированного моделирования РТК приведена на рисунке 2. Система организована по модульному принципу. Ее можно представить как управляющее ядро системы, взаимодействующее с модулями системы моделирования. По функциональному признаку в системе моделирования можно выделить пять основных блоков: управляющий, входной информации, вычислительный, информационный, выходной информации.
Управляющий блок организует работу всей системы моделирования и обеспечивает контроль процесса обработки информации на различных этапах технологической цепочки решения задач. Блок включает в себя два модуля – управляющий и сервисный, обеспечивающие диалоговое взаимодействие пользователя с системой моделирования.
Управляющий модуль обеспечивает связь всех модулей системы моделирования и выполняет общее управление процессом решения задачи.
Сервисный модуль предоставляет пользователю возможность выполнения ряда стандартных операций над задачами или ее отдельными файлами. Пользователь может переименовать, создать копию под другим именем или удалить всю задачу или отдельные ее файлы. Обращение к операциям над файлами задач выполняется через меню.
Блок входной информации обеспечивает формирование задания на моделирование, которое состоит из описания моделируемого объекта, рабочей сцены и параметров моделирования. Блок позволяет работать как с новыми, так и с ранее созданными задачами. Для этого используются модуль ввода-вывода и графический редактор.
Модуль ввода-вывода осуществляет выполнение операции чтения из файла задачи, сохранение задачи в файле и создание новой задачи, а графический редактор – ввод и редактирование моделируемого объекта и его рабочего пространства на основе формализованного представления рабочего пространства и РТК.
Вычислительный блок включает в себя ряд модулей, которые реализуют автоматическое формирование математической модели исследуемого объекта и его рабочего пространства, синтезируют законы управления УМС и выполняют геометрические, кинематические и динамические расчеты. Программы вычислительного блока используются моделями компонентов и управляющей программой. Рассмотрим кратко перечисленные модули.
Модуль формирования модели совместно с библиотекой моделей компонентов формирует математическую модель, вычисляет матрицы преобразования между системами координат смежных компонентов, а также матрицы преобразования между связанными системами координат компонентов и неподвижной системой координат.
Модуль геометрических расчетов обеспечивает расчет пространственного положения моделируемого механизма и анализ пространственного расположения исследуемого механизма на “геометрическое противоречие”. Позволяет решать такие задачи, как размещение геометрических объектов в пространстве с ограничениями, анализ функционирования манипуляторов, анализ столкновений управляемых механизмов с объектами рабочей сцены, проверку принадлежности точек траектории движения рабочих органов их сервисной зоне обслуживания.
Модуль кинематических расчетов выполняет расчет координат, скоростей и ускорений центра масс компонентов, деталей и изделий в целом. Позволяет решать такие задачи, как определение скорости и ускорения отдельных составляющих исследуемого устройства, а также произвольно заданной точки, вычисление усилий, которые возникают в кинематических узлах манипулятора в процессе выполнения запланированных действий, определение центра масс отдельных компонент или деталей, а также всего изделия в целом в процессе его функционирования.
Модуль динамических расчетов позволяет определить влияние инерционности, упругости, а также сил трения на динамические процессы в приводах манипуляторов на процессы перемещения, скорости и ускорения звеньев кинематической цепи.
Модуль синтеза законов управления обеспечивает построение плана траектории перемещения рабочего органа РТК с учетом обхода препятствий, находящихся на рабочем пространстве, а также синтезирует законы управления каждым приводом манипулятора. Модуль включает в себя различные алгоритмы построения плана траектории. Конкретный же алгоритм построения выбирается инженером-исследователем непосредственно перед вычислительным экспериментом. В процессе решения задачи планирования решаются прямая или обратная задачи пространственного расположения моделируемого механизма. Для построения законов управления используются методы полиномиальной и сплайновой аппроксимации.
Информационный блок содержит модуль объяснения и программы выдачи сообщений об ошибках и о геометрическом противоречии.
Модуль объяснения позволяет ответить на вопросы как и почему получен такой результат.
В блок выходной информации входят программы формирования трехмерного изображения рабочей сцены и исследуемого объекта, графического отображения контролируемых параметров исследуемого объекта, сопряжения с РТК и сопряжения с внешними САПР.
Модуль визуализации трехмерных рабочих сцен обеспечивает формирование на экране дисплея графического образа моделируемого объекта и его рабочей сцены. На экране монитора формируется графическая имитация движения РТК в заданной рабочей среде. Визуальное представление трехмерных рабочих сцен обеспечивается различными режимами визуализации – каркасное представление с сохранением всех линий, каркасное представление с удалением невидимых линий без закраски граней, удаление невидимых линий с закраской и бесконечно удаленным источником света. Предусмотрены непрерывный и покадровый режим вывода изображения на экран монитора. Оперативное изменение параметров визуализации (например, масштаба изображения, направления взгляда, способа построения изображения) обеспечивает инженера-исследователя удобным инструментом для визуальной оценки результатов моделирования управляемой механической системы.
Модуль графического отображения контролируемых параметров выполняет отображение траектории, скорости и ускорения перемещения центра масс деталей в рабочем пространстве, а также управляющих функций приводами манипулятора в виде графиков.
Модуль сопряжения с РТК позволяет преобразовать синтезированные законы управления РТК, сформированные системой моделирования, в систему команд заданного манипулятора.
Модуль сопряжения с внешними САПР обеспечивает конвертирование данных из внутреннего формата системы моделирования в формат DXF. Конвертирование производится в трехмерный образ рабочей сцены или в проекции, которые в дальнейшем используются при создании чертежной документации.
Библиотека моделей компонентов является важной составной частью системы моделирования, которая включает:
трехмерные твердотельные примитивы;
кинематические узлы (линейное перемещение и вращение) с ограничениями и без них;
модели динамических компонентов;
модели источников;
источники заданного движения;
источники идеальной скорости;
модели измерителей.
Для описания широкого класса РТК достаточно использовать небольшой набор моделей твердотельных компонентов, так называемый базисный набор моделей компонентов, который включает в себя параллелепипед, цилиндр, конус, усеченный конус, шар, цилиндр с осевым отверстием. Модели компонентов работают в постоянном взаимодействии с вычислительными модулями системы. Такая система моделирования позволяет эффективно решать многие задачи, связанные с контролем на отсутствие столкновений элементов механической конструкции в процессе ее функционирования, движения при заданных пространственных ограничениях, с проверкой на выполнение условий собираемости, поиск оптимальных компоновочных решений, на планирование траектории перемещения рабочего органа манипулятора и на расчет кинематики движения исследуемого механического устройства.
2.2 Структура модели компонента системы автоматизированного моделирования робототехнических комплексов. Одним из важнейших элементов системы автоматизированного моделирования робототехнических комплексов (архитектура которой описана выше), является библиотека моделей компонентов (БМК). Основу БМК составляет базисный набор моделей компонентов, который включает в себя минимально необходимое множество моделей, достаточных для моделирования широкого круга различных механических устройств. Модели БМК можно разделить на следующие классы: трехмерные твердотельные примитивы, кинематические узлы, источники идеальной скорости, источники усилий, динамические компоненты и измерители.
Трехмерные твердотельные примитивы (параллелепипед, цилиндр, конус, усеченный конус, шар, цилиндр с осевым отверстием) служат основой для конструирования пространственных исполнительных механизмов робототехнических комплексов (РТК), объектов манипулирования и технологического оборудования.
Кинематические узлы задают подвижные соединения двух типов: линейное перемещение и вращение, то есть перемещение вдоль одной из осей координат или вращение вокруг одной из осей координат. Допускается последовательное соединение моделей кинематических узлов, с тем чтобы задавать сложные законы перемещения твердотельных примитивов.
Источники идеальной скорости состоят из следующих моделей: постоянной скорости, постоянной скорости с плавным включением, постоянной скорости с плавным включением и задержкой, импульсной скорости, поступательного движения с синусоидальным законом изменения скорости.
Источники усилий состоят из моделей постоянной силы, постоянной силы с плавным нарастанием, импульсной силы и с синусоидальным законом изменения силы.
Динамические компоненты (такие как упругость, демпфер, инерционность) учитывают упругодемпфирующие силы, возникающие в реальных механизмах в процессе их работы.
Измерители составляют компоненты, измеряющие координаты текущего пространственного положения заданной точки звена исполнительного механизма РТК и относительного линейного перемещения и вращения в звеньях исполнительного механизма.
Перечисленный набор моделей компонентов составляет основу БМК и базисный набор моделей компонентов, с помощью которого формируются математические модели исполнительных механизмов моделируемых РТК и их рабочего пространства. Методы, положенные в основу системы моделирования, позволяют каждому пользователю самостоятельно строить модели необходимых механических конструкций. Пользователь может дополнять библиотеку моделей и развивать ее в соответствии со спецификой решаемых задач.
В реальных конструкциях используется большое количество однотипных объектов, состоящих из совокупности жестко связанных между собой элементов механической конструкции. Одни и те же совокупности элементов могут встречаться в различных механических устройствах, отличаясь друг от друга значениями параметров. Такие объекты называются деталями. Эффективность системы моделирования значительно повышается, когда наряду с базовыми моделями компонентов в нее записываются и модели деталей. Это позволяет накапливать библиотеку довольно сложных деталей, что упрощает и делает нагляднее описание сложных механических объектов. Одновременно происходит настройка системы моделирования на специфику исследуемых механизмов и РТК.
С помощью предложенного способа формируется описание рабочих сцен, таких как совокупность компонентов, деталей и изделий. Составные части рабочих сцен могут быть описаны в виде деталей или изделий и затем включены в библиотеку. Таким образом, БМК позволяет накапливать отлаженные математические модели деталей и изделий и затем использовать их как составные части при построении моделей сложных РТК и рабочих сцен.
Модель компонента представляет собой достаточно сложный вычислительный модуль, который тесно взаимодействует с вычислительным блоком системы моделирования. Для обеспечения такого тесного взаимодействия разработана обобщенная структура модели компонента и определены режимы ее работы. Обобщенная структура модели компонента приведена на рисунке 3. Текущий режим работы модели задается вычислительным ядром системы моделирования и передается в модель компонента значением переменной.
Рассмотрим основные блоки модели компонента.
а) блок задания начальных значений формирует начальные значения переменных, используемых вычислительными моделями компонентов.
б) блок вычисления функций перехода с помощью подпрограмм модуля формирования модели вычисляет матрицы перехода между локальными системами координат связанных компонентов и между локальной системой координат компонента и неподвижной системой координат. Компонент может быть базовым или присоединенным. Положение базового компонента задается относительно неподвижной системы координат, которая служит основой для формирования всей рабочей сцены, включающей РТК, объекты манипулирования и различное технологическое оборудование. Положение присоединенного компонента задается относительно локальной системы координат компонента, к которому присоединяется текущий компонент.
Для базового компонента выполняются следующие операции:
1) вычисление матрицы перехода из связанной системы координат компонента (ССК) в неподвижную систему координат (НСК) и вектора координат центра НСК в ССК;
2) занесение в стек координаты всех точек присоединения (точек связей) для присоединенных компонентов.
Для присоединенного компонента выполняются следующие операции:
- выбор из стека координаты точек связи предшествующего компонента с текущим компонентом;
- вычисление матрицы перехода из ССК текущего компонента в НСК, а также координаты центра ССК в НСК;
- занесение в стек координаты всех точек связей с присоединенными компонентами.
г) блок развертки модели компонента обеспечивает выдачу координат точек P(xP,yP,zP), принадлежащих заданному компоненту. В зависимости от значения управляющего параметра развертка может выполняться по объему или по поверхности моделируемого компонента. Шаг развертки является переменным и автоматически выбирается в пределах Hmin-Нмах, значения которых указываются в задании на моделирование. Развертка модели компонента выполняется подпрограммами вычислительного блока системы моделирования. Обобщенная структурная схема блока развертки модели компонента приведена на рисунке 4.
д) блок проверки на геометрическое противоречие выполняет пересчет координат проверяемой точки в ССК текущего компонента, а также проверку на попадание в область компонента. Если точка попадает в область компонента, то формируется сообщение об имеющем место взаимопересечении компонентов с помощью программы блока выходной информации. Для того чтобы избежать повторных сообщений о взаимопересечении пары компонентов, происходит запоминание информации о каждой паре взаимопересекающихся компонентов с помощью подпрограммы вычислительного блока системы моделирования. Эта же подпрограмма следит за общим числом взаимопересечений среди объектов моделируемой рабочей сцены.
е) блок кинематических расчетов включает в себя уравнения для вычисления линейных и угловых скоростей и ускорений, а также уравнения для вычисления сил и моментов. Уравнения записаны в рекуррентной форме. Вычисление кинематических параметров механизма выполняется в два прохода. Первый проход обеспечивает вычисление линейных и угловых скоростей и ускорений, второй служит для вычисления сил и моментов. Использование уравнений в рекуррентной форме позволяет провести кинематические расчеты без составления матричной системы уравнений и последующего ее решения.
ё) блок динамических расчетов модели компонента включает в себя уравнения, обеспечивающие расчет функционирования исследуемого устройства с учетом упруго-инерционных сил, возникающих в процессе функционирования исследуемого механизма. Как и в блоке кинематических расчетов, уравнения представлены в рекуррентной форме. Решение дифференциальных уравнений осуществляется на основе явных формул численного интегрирования, что позволяет сохранить рекуррентную форму уравнений, по которым выполняются динамические расчеты.
ж) блок планирования траектории. Данный режим используется моделями компонентов, участвующих в работе алгоритмов построения плана траектории перемещения захвата манипулятора.
з) планирование траектории перемещения захвата манипулятора при выполнении заданной технологической операции является одним из этапов синтеза законов управления манипулятором. Данная задача может решаться для рабочей среды без препятствий, с известным расположением препятствий и в среде с неизвестным расположением препятствий.

3 Основные особенности программы Гемма-3D её место в системах автоматизированного моделирования

Одним из ключевых моментов, на который обращали внимание пользователи системы ГеММа-3D, была необходимость повышения удобства и оперативности проектирования обработки. В связи с этим коллектив разработчиков выделил решение данной проблемы как одно из основополагающих требований к последней версии системы. Мощным средством повышения удобства и оперативности программирования обработки является использование параметризации в системе САПР. Разработчики приняли решение – затраты на внедрение параметризации должны быть адекватны степени ее использования. В принципе, параметризировать можно размеры геометрических объектов, численные значения режимов обработки и элементы управления стратегией обработки. Первую задачу вполне приемлемо решают многочисленные системы твердотельного моделирования. Здесь надо отметить, что ГеММа-3D чаще используется как САМ модуль системы автоматизации подготовки производства и гораздо реже как автономная CAD/CAM система. Поэтому параметризация геометрии модели детали не является актуальной. Гораздо важнее обеспечить за счет параметризации ускорение процесса разработки управляющей программы.
В инструментальной обработке часто встречаются детали сложной формы, и возникает необходимость применения особых стратегий обработки, основанных на использовании специальных алгоритмов. В принципе, перечень стратегий (алгоритмов) ограничен. Для каждой из стратегий можно организовать так называемый внутренний шаблон прохода. Если все исходные данные для расчета траектории сгруппировать в соответствии с таким шаблоном, разработка прохода сведется к его заполнению. Причем, за счет диалоговых панелей трудоемкость заполнения параметров шаблона не сложнее, чем это было в существующих версиях системы ГеММа-3D. При этом новый проход можно разрабатывать как вариант шаблона с измененными значениями. Объекты шаблона могут быть как численного типа, так и геометрические.
Кроме того, в программе введен такой дополнительный объект как локальная система координат (ЛСК). Теперь в процессе 3D обработки нет необходимости при смене точки наладки и повороте стола (головы) делать копию модели и выставлять ее в положение новой наладки. Для этого в одной модели достаточно каждой наладке поставить в соответствие свою ЛСК.На экране ЛСК изображается в виде репера (три базовых вектора координатных осей и параллелограмм для рабочей плоскости), как показано на рисунке 5. При формировании прохода в 3D обработке на экране появляется диалоговая панель структуры шаблона. Она представляет собой набор кнопок. Количество кнопок зависит от выбранного типа обработки. На рисунке 6 представлена панель шаблона для типа обработки «По двум направляющим кривым». Во-первых, это самый компактный по структуре шаблон. Во-вторых, на нем можно наглядно продемонстрировать те удобства, которые обеспечило применение шаблонов. Первые пять кнопок шаблона предназначены для работы с именами шаблонов. В данной пункте на них не будет акцентировано внимание, поскольку работа с ними подобна существующим подходам к открытию и закрытию объектов (файлов, например). Следующая кнопка позволяет выбрать ЛСК, то есть определиться с наладкой. Все ранее существовавшие численные значения параметров инструмента и режимов обработки сведены в группу «Технологические параметры» (кнопка с литерами Тп). Пример многоуровневой диалоговой панели технологических параметров для рассматриваемого типа обработки показан на рисунке 7. Панель имеет свои кнопки доступа к параметрам соответствующего уровня. В качестве параметров могут быть как численные значения, так и кнопки логического выбора (для выбора ветки алгоритма при генерации траектории прохода).  В панели структуры шаблона всегда имеется кнопка выбора объекта обработки. В рассматриваемом типе обработки – это совокупность поверхностей и оболочек. Далее следует кнопка задания заготовки. Заготовка (предполагаемая зона обработки) может быть задана вручную или генерироваться автоматически, как габаритный параллелепипед выбранных объектов обработки. После кнопки «Заготовка» в панели шаблона стоят несколько кнопок, отражающих специфику типа обработки. Завершается панель стрелкой, соответствующей команде «Выполнить». Особенность работы с панелью заключается в том, что порядок выбора кнопок шаблона не является строгим. Если для ввода какой-то команды не хватает исходных данных на текущий момент времени, то кнопка изображается как недоступная. При работе в режиме редактирования все кнопки панели доступны. Можно дать любую команду редактирования, затем нажать кнопку «Выполнить» и пересчитать новую траекторию уже для измененных исходных данных.
Рассмотрим подробнее работу с типом обработки «По двум направляющим кривым» на примере разработки программы обработки полости. Исходная модель задается в виде оболочки. Место обработки находится между двумя кривыми (не обязательно плоскими), показанными на рисунке 8. Такие кривые для первой итерации расчета можно получить путем снятия граничных кривых, кривой между двумя точками поверхности или кривой, являющейся UV-линией поверхности. Участок траектории для первой итерации в режиме показа «Динамика» представлен на рисунке 9. Обратим внимание, что в новой версии в данном режиме инструмент изображается в тонированном виде. Присутствует покадровый режим просмотра траектории. Для изменения зоны обработки (вторая итерация) исходные кривые переносим в рабочую плоскость. Там средствами 3D редактора (выбрав только режим отображения 2D) строим две плоские кривые, которые будут использованы как направляющие. Для смены исходных данных достаточно снова выбрать обработку последнего типа и в появившейся панели шаблона нажать кнопку с изображением кривых. Затем, отказавшись от «старых» направляющих, выбираем вновь построенные кривые. При этом одну кривую (большую дугу) задаем как границу для точек контакта (она автоматически проецируется на оболочку, и выполняется расчет кривой положений центра фрезы), а другую дугу - как границу для центра фрезы. Роль кривых определяет сам пользователь, исходя из технологических соображений. Нажатие кнопки «Выполнить» приводит к построению новой траектории прохода с большей зоной обработки вверху и выходом на днище стакана. Новая траектория показана на рисунке10.
Особенностью рассматриваемой модели является то, что ее левая и правая часть технологически подобны, а конструктивно нет. Для обработки в стиле шаблонов такая ситуация не представляет никакой проблемы. Делаем симметрию относительно осевой плоскости направляющих линий, полученных на последнем этапе. Аналогично последнему шагу заменяем направляющие кривые на новые. Получаем новую траекторию, показанную на рисунке 11. Весь процесс занял не более 10 секунд. Так как в двух проходах обеспечена идентичность всех остальных технологических параметров, после обработки качество левой и правой частей детали будет одинаковым.
Подводя итог, можно сказать, что система ГеММа-3D предоставляет пользователю возможность создавать проходы в итерационном режиме и по параметрическому шаблону с внесением минимальных необходимых изменений в набор параметров. Важно, что при этом нет никаких ограничений связанных с конструкторской параметризацией геометрии. То есть обработать можно любую импортированную деталь, вне зависимости от сложности ее геометрической структуры.




Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.













Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

Структурное описание модели

Компонентное описание уравнения

Текущее значение параметров модели


Ядро системы

Монитор системы

Значение вектора неизвестных

DC Вид
TA анализа
AC

К блоку обработки результатов

СП

СИ





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.



20

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.





Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.






Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.