Международная олимпиада по системам автоматизированного проектирования и компьютерного моделирования в Хмельницком национальном университете

Сергей Ковальчук
К.т.н., доцент, декан факультета прикладной математики и компьютерных технологий Хмельницкого национального университета

Алексей Абрамов
К.т.н, доцент кафедры повышения износостойкости и надежности машин Хмельницкого национального университета

В настоящее время на промышленных предприятиях наблюдается постоянный рост интереса к системам автоматизированного проектирования (САПР) не только с точки зрения 3D­моделирования и выполнения чертежей, но и в плане разработки прикладного программного обеспечения, которое автоматизирует разные этапы проектно­конструкторских работ.

Рассматривая систему САПР конструкторского проектирования как базовый инструмент автоматизированного проектирования, можно выделить три уровня автоматизации:

• начальный уровень, на котором используются базовые возможности системы по созданию моделей (в частности, 3D) и оформлению конструкторской документации;
• средний уровень — здесь активно применяются механизмы параметризации систем, внутренние функции, поддерживается работа с внутренними и внешними базами данных;
• высокий уровень, на котором дополнительно к предыдущим возможностям используется технология взаимодействия между приложениями.

С образовательной точки зрения начальный уровень автоматизации проектирования представляет интерес при подготовке инженеров­ машиностроителей. На базе этих технологий на Украине, в России и других странах проходит множество олимпиад и конкурсов. Потому начальный уровень автоматизации проектирования мы рассматривать не будем.

Средний уровень — наиболее развитая и мощная составляющая САПР. Работа не требует от проектировщика специальных знаний в области программирования, а только правильности в структуре и последовательности формирования связей между элементами. Использование  среднего уровня автоматизации позволяет решать большинство заданий. Исключение составляют задания, при выполнении которых применяются сложные вычислительные алгоритмы, например циклические и итерационные вычисления и многие другие, которые нельзя организовать встроенными инструментами, предложенными разработчиками CAD­систем.

Высокий уровень — наиболее перспективная часть последующего развития CAD­систем. Она находится на этапе становления и постоянного развития. Использование  технологии позволяет получать данные из модели, проводить сложные математические вычисления с помощью современных сред объектно­ориентированного  программирования, передавать результаты обработки обратно в модель, которая, в свою очередь, дает возможность создавать высокоинтегрированные, высококачественные с точки зрения взаимодействия между программами приложения.

В связи с этим в системах образования возникает задача интегрировать в учебном процессе фундаментальную математическую, алгоритмическую и инженерную машиностроительную подготовку с профессиональной подготовкой специалиста по информационным технологиям, которая включает специальные математические дисциплины, теорию и технологии программирования в разных средах, технологии создания баз данных и т.п.

Организация учебного процесса требует определения базовой CAD­системы и систем программирования, которые можно было бы обеспечить легальными программными продуктами при небольших затратах.  Опыт Хмельницкого национального университета в целом и факультета прикладной математики и компьютерных технологий  в частности базируется на внедрении в учебный процесс средств  программирования,  предоставленных компанией Microsoft в виде подписки MSDN  и компанией SolidWorks, которая выделила университету лицензию для использования системы на 500 учебных местах.

Графическая система SolidWorks, как и множество других графических систем,  является автоматным сервером OLE, что делает ее открытой для программирования на языках высокого уровня, таких как С#, C++, Delphi и Visual Basic. Имеется в виду возможность разработки специального программного обеспечения, которое может объединить в себе несколько систем и с помощью которого можно полностью автоматизировать процесс разработки рабочих чертежей и текстовой документации. 

Есть два основных способа автоматизации с помощью технологий OLE Automation [2]:

• передача рассчитанных значений в параметрическую модель;
• расчет и генерирование новых геометрических элементов.

Первый способ автоматизации подходит для тех случаев, когда четко известны структура параметрической модели и число ее элементов. Среди таких задач — итерационные, оптимизационные и некоторые другие. С точки зрения технологий OLE Automation первый способ может рассматриваться как начальный, поскольку в нем используются возможности названных технологий, а именно считывание данных из входного документа, их обработка и передача обратно в документ.

Второй способ автоматизации с помощью технологий OLE Automation применяется в качестве основного средства проектирования в том случае, когда большинство операций, начиная с создания документа и всех его элементов,  выполняется внешне. 

Представленные технологии активно используются для подготовки специалистов по информационным технологиям проектирования во многих вузах Украины, а также при решении заданий на олимпиаде по САПР и компьютерному моделированию, которая ежегодно проводится в Хмельницком национальном университете (ХНУ).

Как отмечается на сайте компании АСКОН [3], «олимпиада в ХНУ — единственная в странах СНГ, где соревнуются не пользователи, а будущие разработчики систем автоматизированного проектирования для машиностроения. Задания олимпиады традиционно отличаются сложностью и предполагают наличие у участников знаний в области как программирования, так и инженерного проектирования. Рабочий инструментарий не ограничивается: студенты могут использовать любые САПР и языки программирования». В качестве заданий студентам предлагаются разнообразные задачи из сферы машиностроения и прикладной геометрии. Задания олимпиады включают не только создание приложений для CAD­систем, но и, нередко, приложений, способных самостоятельно визуализировать результаты проектирования.

Уже стало традицией, что в ХНУ ежегодно проводятся Международная заочная и открытая очная Всеукраинская студенческие олимпиады. В них за 14 лет приняли участие свыше 2 тыс. студентов из 52 высших учебных заведений Украины, России, Белоруссии, Молдавии и Казахстана.

На протяжении всех лет проведения олимпиады ее организаторы получали поддержку ведущих информационно­технологических (ИТ) компаний Украины и СНГ. Среди них — АСКОН (Киев, Москва, Львов) и «Топ­Системи» (Киев). В последние четыре года олимпиаду также поддерживают компании SolidWorks (США), Інтерсед­Україна (Киев) и Aquasoft (Украина).

В 14­й очной олимпиаде приняли участие председатель представительства SolidWorks в России и СНГ Павел Брук (США), представитель фирмы Education Program Manager Джозеф Уилки (Joseph Wilkie) (США), а также руководство компании «Інтерсед­Україна», авторизованного реселлера компании SolidWorks на Украине, в лице  генерального директора Евгения Коробченко и директора по продажам Наталии Савачевской.

Студентам предлагались различные задания: проектирование с использованием САПР, компьютерное моделирование, распознавание образов. Всего за время проведения олимпиад студентам было предложено более 60 задач разной степени сложности. Их разработчиками являются ведущие специалисты в направлении САПР и компьютерного моделирования ХНУ и других вузов. Среди них — профессор, д.т.н. М.П. Мазур; доцент, к.т.н. О.В. Бармак; профессор, д.т.н. Р.В. Сорокатий; доцент, к.т.н. М.С. Свирневский; доцент, к.т.н. М.А. Урбанюк; доцент, к.т.н. В.А. Харжевский; старший преподаватель Р.О. Багрий; ассистент О. Лищук и многие другие.

В качестве примера приводим краткое описание заданий заочной и очной олимпиад, которые состоялись соответственно в декабре 2010­го и апреле 2011 года.

Задание 1. Проектирование спирально­ступенчатой торцевой фрезы

Цель задания: спроектировать спирально­ступенчатую торцевую фрезу, которая снимает общую глубину резания t. При этом необходимо спроектировать резцовый зуб (рис. 1), который будет вставляться в корпус фрезы (положение лыски 1 на вставке  произвольное и зависит от положения зуба в корпусе фрезы).

По внутреннему кругу диаметром D1 в осевых отверстиях равномерно разместить максимальное количество чистовых зубьев фрезы так, чтобы расстояние между осями отверстий было задано (рис. 2).

Рис. 1. Резцовый зуб фрезы

Рис. 2. Корпус фрезы: вид сверху

Задание 2. Shape from Shading. Получить геометрию объекта из «закрашивания», или генератор ландшафта

Цель задания: необходимо создать программу, которая бы на базе существующих двумерных графических файлов возобновляла трехмерную геометрию объекта. Информация о двух координатах X и Y берется из положения пиксела в файле. Цвет пиксела определяет его координату.

Начальными данными для программы служат: графический файл произвольного разрешения в градациях серого, длина и ширина искомого трехмерного объекта, разница высот между самой нижней и самой верхней точками искомого объекта, положение центра координат, метод возобновления геометрии.

На рис. 3 приведен пример представления поверхности, на рис. 4 — пример программного продукта.

Рис. 3. Фотография поверхности

Рис. 4. Ландшафт после распознавания

Задание 3. Разработка пластиковой бутыли

Цель задания: разработать параметрическую модель пластиковой бутыли для машинного масла, которая учитывает требования к фирменному стилю во всем диапазоне необходимой емкости.

На рис. 5 приведен вид бутыли в изометрии.

Согласно предлагаемому эскизу необходимо построить параметрическую геометрическую модель. Главным параметром для бутыли является ее емкость. Высота, ширина, глубина, уклоны, диаметры — вторичные параметры, которые необходимы лишь для соблюдения разработанной фирменной стилистики.

Рис. 5. Общий вид бутыли

Задание 4. Разработка системы для распознавания и построения трехмерных объектов по векторизованному изображению стереопары

Цель задания: цифровое стереоизображение (две фотографии сделаны двумя спаренными фотоаппаратами) трехмерного объекта с помощью специальной программы очищается от шумов фотографирования, затем в нем выделяются предельные области и создается векторизованное изображение граней трехмерного объекта. Фактически выходят две проекции объекта в виде графических файлов популярного формата. Необходимо построить трехмерное изображение объекта по заданным проекциям.

Задание 5. Проектирование измерительного инструмента для контроля валов

Цель задания: разработать САПР измерительного инструмента для контроля валов в диапазоне измеряемых размеров от 17 до 350 мм включительно с предельными отклонениями по квалитетам h6, k6, h7 и k7.

САПР должна обеспечивать формирование 3D­модели и рабочего чертежа инструмента по введенным пользователем параметрам измеряемой детали и указанию типа — проходной (ПР), непроходной (НЕ), предельно изношенный (ПР­И).

Задание 6. Разработка системы моделирования работы пирамидальной рупорной антенны

Цель задания: разработать программную систему для определения объекта, который отслеживается пирамидальной рупорной антенной (рис. 6). Объекты моделируются точками. Область сканирования моделируется пирамидой. Положение антенны распознается по ее фотографии. Известны форма антенны и ее местоположение, а также расположение множества объектов, которые могут отслеживаться.

Рис. 6. Сканирование объекта: 1 — объект; 2 — область сканирования; 3 — антенна

Задание 7. Получение контура твердого тела по спроектированным треугольникам тесселяции

Цель задания: необходимо создать программу, которая бы находила контур модели из спроектированных треугольников, полученных из тесселяционных данных твердого тела (рис. 7). Начальными данными для программы служат текстовые файлы с данными о треугольниках.

Следует учесть, что треугольники представлены в произвольном порядке, лежат на одной плоскости и при проектировании могут обращаться в линии.

Рис. 7. Схема проектирования тесселяционных треугольников

Задание 8. Возобновление поверхности по опорным точкам NURBS

Цель задания: разработать программный продукт, который позволяет построить точечную поверхность по известному массиву опорных NURBS­точек (control points), аппроксимировать полученную точечную поверхность треугольниками, рассчитывать нормали к каждому из полученных треугольников.

Файл с начальными данными содержит опорные NURBS­точки (красные точки) поверхности представления человека, пример тестовых результатов работы программы приведен на рис. 8.

Рис. 8. Пример входных данных и тестирования результатов работы программы

***

Работы студентов оцениваются по двум критериям: проектирование САПР и компьютерное моделирование. Победителями олимпиады за всю ее историю становились студенты многих вузов. В олимпиаде 2011 года первые места достались студентам из  следующих учебных заведений:  Национальный технический университет Украины «КПИ», Хмельницкий национальный университет,  Запорожский национальный технический университет, Сумской государственный университет, Витебский государственный технологический университет, Донецкий национальный технический университет,  Одесская государственная академия холода; Комсомольский­на­Амуре государственный технический университет, Алтайский государственный технический университет, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Рязанский институт Московского государственного открытого университета.

Олимпиада САПР и компьютерного моделирования, известная не только на Украине, но и в странах СНГ,  направлена на достижение следующих основных целей проекта:

• оценка уровня подготовки специалистов по созданию программных продуктов для потребностей САПР машиностроения;
• обобщение опыта использования разных сред для создания программных продуктов направления САПР в вузах;
• повышение эффективности применения САПР  в учебном процессе;
• поиск талантливой молодежи и привлечение ее к научной работе.

Авторы статьи надеются, что на юбилейную, 15­ю олимпиаду, которая по традиции состоится в Хмельницком национальном университете в апреле текущего года, вновь соберутся студенты, которые будут не только соревноваться, но и обмениваться опытом, наработками и проектами. За 15 лет изменились технологии и CAD­системы, но неизменной остается тяга студентов к знаниям. Из участников и призеров олимпиад выросла уникальная плеяда специалистов по проектированию, многие из них защитили кандидатские  и докторские диссертации, стали руководителями различных организаций и структур.   

Литература

1. http://sw.km.ua/pages/olimp_2011.html.
2. http://window.edu.ru/resource/133/53133/files/tflex11.pdf.
3. http://edu.ascon.ru/news/items/?news=1014.
4. http://www.sapr.km.ua/.

САПР и графика 5`2012