5 - 2012

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

Сергей Ковальчук
Сергей Ковальчук
К.т.н., доцент, декан факультета прикладной математики и компьютерных технологий Хмельницкого национального университета
Алексей Абрамов
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. 1. Резцовый зуб фрезы

Рис. 2. Корпус фрезы: вид сверху

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. 3. Фотография поверхности

Рис. 4.  Ландшафт после распознавания

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

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;

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

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

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