6 - 2003

Эффективная CAD-система по проектированию чертежной КД

Анатолий Киселев

Введение

Проблемы проектирования в графических САПР

Концепция двухмаркерной графической CAD-системы

Реализация двухмаркерной графической CAD-системы

Технология выбора и применения графических CAD

Заключение

Сравнение двух подходов к построению графических САПР

Введение

Изучение реального процесса проектирования в различных графических системах показало, что из их числа можно выделить четыре системы-лидера: AutoCAD, T-Flex, КОМПАС и 3D-StudioMAX. Каждая из них обладает практически полным набором функций и дает возможность проектировать чертежи деталей и узлов любого уровня сложности — как двух-, так и трехмерные. Во всех системах имеется универсальный набор выходных форматов файлов, позволяющий строить на их основе сквозные интегрированные системы:

AutoCAD — DXF, DWG, SAT, WMF, STL, 3DS, GIF, BMP, JPG, TGA, TIFF, DXB, DXX;

T-Flex — DXF, DWG, SAT, WMF, STL, IGES, IGS, STEP, GRB, EMF, BMF;

КОМПАС — DXF, DWG, SAT, STL, IGES, CDW, FRW, KDW, SPW, KSF;

3D-Studio — DXF, DWG, STL, IGES, IGS, 3DS, AI, ASC, ASE, IGE, PRJ, SHP, WRL, WRZ.

Обобщенные экспериментальные данные по оценке возможности реализации сквозных интегрированных систем приведены в виде графа на рис. 1.

Проведенные экспериментальные работы во внедренных системах показали высокую конкурентоспособность отечественных разработок КОМПАС и T-Flex, в том числе их преимущество в плане соответствия требованиям российских ГОСТов и в параметрическом проектировании. Немаловажным достоинством системы КОМПАС является наличие в ее составе богатого набора прикладных библиотек. Эти данные могут использоваться для выработки рекомендаций по внедрению графических САПР на промышленных предприятиях.

В начало В начало

Проблемы проектирования в графических САПР

Экспериментальные исследования эффективности графических САПР показали, что наилучших результатов минимизации цикла проектирования в системе (Тц) можно получить, когда для построения чертежа используется не менее 70% типовых фрагментов чертежа из ранее созданной базы данных (БД). Соответственно графические САПР развиваются как по пути совершенствования программно-аппаратных средств ввода первичной графической информации (собственно автоматизированное черчение), так и по пути максимизации эффекта от использования БД.

Пример развития первого направления:

1. Выиграть за счет построения дополнительных проекций по некоторой исходной первой, в том числе использовать проекционное черчение 3D ® 2D.

2. Применять несколько экранов (мониторов) для разных проекций сложных чертежей (конструктор работает за одним из экранов, а на других, по возможности, обновление происходит автоматически).

Пример развития второго направления:

1. Используя интерактивный режим, с помощью мыши рисовать чертеж не по точкам, а каркасными линиями, то есть на экране некоторая линия возникает как объект, с которым можно манипулировать относительно других объектов, в том числе устанавливать функциональные связи между ними. После фиксации таких каркасных линий указываются узловые точки на каркасе, которые будут точками чертежа (такой подход впервые был реализован в системе класса ПРАМ1.1 — язык «ЯКОБ», а в настоящее время применяется в системах параметрического черчения, например в системе T-Flex CAD). Основное преимущество таких систем (компенсирующее затраты на первичный ввод) — параметрическая БД.

Несмотря на стремительное развитие этого направления, все еще остается актуальной проблема минимизации Тц, в первую очередь при проектировании уникальных чертежей, когда нет возможности эффективно использовать созданную ранее БД. Рассмотрим именно такой случай, сравнив проектирование с помощью САПР с неавтоматизированной работой конструктора за традиционным кульманом. Анализ показывает, что «неавтоматизированный конструктор» пользуется не только карандашом (аналог — мышью), но и линейкой. БД не применяется, однако скорость черчения при этом не уменьшается. Отсюда возникает идея: смоделировать работу конструктора, использующего линейку (кульман) и скользящий по ней карандаш. Линейка — это первый маркер (опорный), карандаш — второй маркер (рисующий). Таким образом, вводится понятие «двухмаркерная графика» (рис. 2).

В начало В начало

Концепция двухмаркерной графической CAD-системы

Рассмотрим работу данной САПР. Во-первых, при таком подходе возникает избыточность в системе координат, что позволяет значительно сократить число используемых команд в САПР (упростить технологический процесс работы). Для двухмаркерной графики предлагается использовать семь координат:

• традиционные координаты рисующего маркера (Хм,Yм);

• координаты центра условной линейки — опорный маркер (Хом,Yом), то есть координаты центра локальной системы координат (ЛСК) (Хлск, Yлск);

• угол наклона линейки, то есть ЛСК (FIом, или jом, или, для краткости, — j);

• координаты рисующего маркера относительно ЛСК (Хмл, Yмл).

В этом случае проектировщик выполняет черчение двумя руками. Одной рукой посредством мыши, клавиатуры или специального манипулятора он будет управлять виртуальной линейкой (угольником), представляющей собой перекрестье на весь размер экрана ПК, а другой — виртуальным карандашом (маркером). При этом должен быть предусмотрен режим автоматической привязки «карандаша» к «линейке» (как у конструктора, когда он ведет линию по линейке кульмана, не заботясь о точности движения). Идея данного метода представлена на рис. 3.

Вышеизложенная идея выдвигалась в качестве заявки на авторское свидетельство (по группе G06K 11/00, заявка №4706237/24, зарегистрированный приоритет 082470: исх. 945/35 от 14.02.90 из п/я Р-6047), но не была доведена до авторского свидетельства по причинам, связанным с трудностью получения авторских свидетельств на программные системы. Но несмотря на это, идея и предлагаемая технология описываются далее в полном соответствии с текстом заявки.

1. Способ ввода в ЭВМ графической информации, основанный на формировании двух числовых кодов, пропорциональных перемещению маркера (М) на экране графического дисплея соответственно по координатам X и Y, отличающийся тем, что с целью повышения скорости ввода графической информации при формировании изображения повышенной сложности формируют дополнительно три вспомогательных управляющих числовых кода, пропорциональных перемещению на экране графического дисплея двух вспомогательных взаимно перпендикулярных линий, образующих локальную систему координат (ЛСК), по координатам X, Y и углу наклона относительно оси X, сравнивают значения числовых кодов, соответствующих положению маркера, и значения числовых кодов, соответствующих положению локальной системы координат на экране графического дисплея, изменяют по результатам сравнения значения числовых кодов, соответствующих положению маркера на экране графического дисплея, до выполнения одного из трех соотношений, обеспечивающих привязку маркера к локальной системе координат:

где (Хм, Yм) — координаты М относительно основной системы координат (то есть системы координат экрана с началом координат в левой нижней точке экрана),

(Хмл, Yмл) — координаты М относительно ЛСК,

(Xом, Yом, FIом) — координаты и угол наклона осей ЛСК;

(1) соответствует привязке и перемещению М по положительной оси Х в ЛСК: заданы значения Хм, Хом, Yом, FIом, определяются Yм, Хмл;

(2) соответствует «привязке» и перемещению М по положительной оси Y в ЛСК: заданы значения Yм, Хом, Yом, FIом, определяются Хм, Yмл,

(3) соответствует перемещению М в плоскости экрана графического дисплея, ограниченной положительными полуосями OX и OY в ЛСК: заданы значения Хм, Yм, Хом, Yом, FIом, определяются Хмл, Yмл; изменяют значения числовых кодов, соответствующих положению маркера, обеспечивая его перемещение на экране графического дисплея по требуемой траектории с учетом его привязки к локальной системе координат по одному из трех соотношений — (1), (2), (3).

2. Способ, отличающийся тем, что с целью расширения эксплуатационных возможностей перед изменением значений числовых кодов, соответствующих положению маркера, обеспечивая его перемещение по требуемой траектории, изменяют значения числовых кодов, соответствующих положению локальной системы координат, обеспечивая изменение условий задания траектории при перемещении маркера в соответствии с одним из трех соотношений — (1), (2), (3).

Сухой язык формулы изобретения позволяет четко описать концепцию двухмаркерной графической CAD-системы.

В начало В начало

Реализация двухмаркерной графической CAD-системы

Математическую основу системы двухмаркерной графики составляют алгоритмы:

• поворота линейки относительно собственного центра;

• вычисления координат виртуального карандаша относительно ЛСК;

• реализации привязки виртуального карандаша к линейке при построениях.

В соответствии с концепцией в системе предусмотрено три режима рисования:

• автопривязка рисующего маркера к оси OX. В этом режиме достаточно перемещать мышь вправо (грубо, неточно), и рисующий маркер будет скользить привязанным к оси OX с автоматической фиксацией координат. Если мышь направить обратно — произойдет стирание нарисованного;

• режим привязки к OY действует аналогично первому режиму;

• свободное рисование в плоскости XOY, как в традиционных САПР.

Идеология начальных установок в системе:

• автоматическая переброска и привязка рисующего маркера в центр ЛСК;

• автоматическая переброска и привязка ЛСК в точку стояния рисующего маркера.

На рис. 4 представлены примеры переброски ЛСК в позицию рисующего маркера, и наоборот, показана возможность стирания линии при обратном ходе мыши. Во второй части рис. 4 приводятся примеры рисования квадрата и других фигур. Как видно, возможны два режима: «кульмана» и «циркуля».

Преимущества двухмаркерной CAD-системы:

• конструктор имеет возможность сразу строить окончательный чертеж, даже если тот состоит из последовательностей линий, расположенных под разным углом. Это обеспечивается наличием полной информации о текущих расстояниях между точками и об углах наклона линий;

• можно имитировать реальный циркуль. Разместив центр ЛСК в середине предполагаемой дуги и поставив карандаш на одну из осей ЛСК, достаточно повернуть угольник на нужный угол и в нужном направлении, и карандаш, перемещаемый осью ЛСК, проведет дугу по принципу реального циркуля и т.п. (см. рис. 4).

Рассмотрим результаты эксперимента в разработанной опытной версии системы двухмаркерной графики. В таблице приведены ориентировочные данные сравнения двух подходов: классического — AutoCAD и предлагаемого альтернативного — двухмаркерного. Здесь видно, что при использовании двухмаркерной технологии можно добиться сокращения времени на построение и уменьшение количества выполняемых движений (манипуляций) почти на треть.

Таким образом, технология двухмаркерного ввода позволяет повысить производительность труда конструктора. Она может применяться как автономно, так и в действующих графических САПР (как отдельный дополнительный режим работы).

В начало В начало

Технология выбора и применения графических CAD

Подводя итоги, представим обобщенные рекомендации и технологические процессы: по выбору рационального базового программного обеспечения (БПО) для графической САПР и по работе с графической САПР в условиях промышленного предприятия.

Разработанные обобщенные рекомендации по выбору БПО для графической САПР приведены на рис. 5, из которого, в частности, следует, что при выборе системы чертежной КД необходимо руководствоваться следующими критериями:

• установить необходимость 3D-конструирования (нужно ли объемное черчение, поскольку такие системы сложны);

• независимо от того, нужно ли 3D или только 2D, выяснить целесообразность съема координат с помощью сколки (применяется для уникальных чертежей, когда нерационально использовать другие методы, например съем выкройки одежды и т.п.);

• для 2D-черчения выяснить возможность повторяемости фрагментов чертежа и оценить в перспективе процент использования такой информации из БД;

• если чертежи все уникальные (нетиповые), выяснить, на каком этапе наиболее успешным будет применение графической САПР;

• оценить требуемые интерфейсы от данной графической системы к периферийным устройствам и их полноту, то есть наличие их в этой системе (под периферийными устройствами подразумеваются различные графические чертежные устройства (плоттеры, станки с ЧПУ, фотоустройства: фотокоординатографы и т.п.);

• проверить соответствие функций системы требованиям ГОСТов;

• выяснить, требуется ли сопряжение данной системы с моделирующими и аналитическими системами и как оно реализовано и т.д.

Эти рекомендации были использованы при оценке создаваемых и внедряемых САПР чертежной КД на промышленных предприятиях.

Разработанный обобщенный технологический процесс по работе с графической САПР в условиях промышленного предприятия приведен на рис. 6, из которого вытекает, что чертеж после изготовления в САПР проходит следующие основные фазы: традиционный конструкторский чертеж, передача в САПР-Т.

Традиционный конструкторский чертеж проходит следующие стадии: твердая копия, машинный носитель. При этом основная проблема эффективности внедрения САПР чертежной КД переносится в область отработки вносимых изменений в чертеж (на различных фазах его жизненного цикла), то есть отработка технологии изменений в электронном и «твердом» чертеже; учет, хранение и актуализация электронных чертежей. На всех фазах корректировки необходимо изменять информацию в машинных носителях (МН), в том числе для САПР-Т. Именно это обстоятельство порождает одну из основных проблем эффективности применения САПР чертежной КД, которая и заставляет искать решения по переходу на безбумажную технологию выпуска чертежной КД. При этом в обязательном порядке необходимо учитывать инерционность системы в целом за счет обратных контуров (см. рис. 6).

Рассмотренная технология была использована при внедрении графических САПР на промышленном предприятии, в том числе для решения всех вопросов организационного обеспечения САПР в части работы с машинными носителями.

В начало В начало

Заключение

В данной статье описан альтернативный способ ввода графической информации — технология двухмаркерной CAD-системы, доведенный до уровня опытного образца системы, в которой были проведены экспериментальные исследования его эффективности для проектирования уникальных чертежей повышенной сложности. Предложены технологии выбора графических CAD-систем с учетом решаемых комплексных задач, а также проанализирован технологический процесс применения таких систем в условиях промышленных предприятий.

Рассмотренные технологии и методики применялись при внедрении графических CAD-систем в составе сквозных интегрированных САПР в условиях конкретного промышленного предприятия и доказали свою эффективность (подробно с материалами внедрения можно ознакомиться по адресу: www.nok.sibnet.ru/its).

На правах рекламы

В начало В начало

«САПР и графика» 6'2003