Development of a methodology for modeling parametric libraries of gears and links as a means of design automation

Pogrebniak Georgii post-graduate student of the Department of Computer Sciences at State University for Social Studies and Humanities 140405, Russia, Moskovskaya oblast', g. Kolomna, ul. Bul'var 800 Let, 13, kv. 18 kb-24@inbox.ru Other publications by this author

В современной области САПР есть такое понятие как «библиотека», которая применяется с CAD системами. Библиотека – это разработанная база данных (БД), хранящая в себе шаблоны объектов с определенными характеристиками, которые варьируются пользователем с помощью встроенных параметров объекта. После выбора или ввода необходимых значений параметров, объект визуально создается и выводится в графическом окне применяемой CAD системы. Существует два вида библиотек в CAD системах:

- подпрограммные (встроенные);

- интегрированные (автономные).

Встроенные библиотеки разрабатываются в самой среде CAD системы с помощью системных инструментов и функционала, например, параметрические шаблоны или пользовательские макросы. CAD система обязательно должна обладать данными возможностями, что в случае их отсутствия существуют интегрированные библиотеки. Интегрированные или автономные библиотеки работают независимо от наличия CAD системы, но полученный объект невозможно использовать без CAD системы. Объект представляет собой в большинстве случаев файл с определенным форматом (расширением), который впоследствии интегрируется в CAD систему ^[6]

У обоих типов библиотек присутствует свой ряд преимуществ и недостатков.

Достоинства подпрограммных (встроенных) библиотек:

- полная синхронизация и ассоциативность с CAD системой;

- гибкая и адаптивная возможность редактирования объекта в режиме динамического просмотра в окне рабочего пространства CAD системы;

- возможность редактирования объекта в модели или сборке без создания нового или замены старого объекта;

- возможность расширения и редактирования шаблонов, макросов и баз данных библиотек в среде CAD системы.

Недостатки подпрограммных (встроенных) библиотек:

- потеря параметров и дерева построения при конвертации в другие CAD системы;

- отсутствие интеграции и ассоциативности с другими CAD системами.

Достоинства интегрированных (автономных) библиотек:

- возможность интеграции с различными CAD системами;

- возможность сохранения объекта в различные форматы (расширения);

- автономность – возможность запуска приложения или модуля вне зависимости от наличия CAD системы.

Недостатки интегрированных (автономных) библиотек:

- отсутствие ассоциативности и параметрических связей при интеграции в CAD систему;

- примитивные возможности редактирования объекта и слабая гибкость при манипулировании объекта после интеграции в CAD систему;

- повышенная сложность при добавлении новых шаблонов или макросов, а также при расширении баз данных объекта;

- вероятность возникновения ошибок при интеграции с различными CAD системами и версиями этих CAD систем.

Учитывая проведенный анализ встроенных и интегрированных библиотек, можно определить, что наибольшей эффективностью при проектировании, а именно набольший диапазон, скорость создания и гибкое редактирование, обладают встроенные библиотеки. А интегрированные библиотеки обладают наибольшим спектром используемых CAD систем и областью применяемых форматов (расширений) объекта.

Конечным результатом моделирования в CAD системе с помощью библиотек может быть объекта различной вида и хранящего в себе различную информацию. В большинстве случаев в инженерном проектировании и моделировании библиотеки выводят объект в виде графической информации, представляющей собой математическую или геометрическую модель с некоторыми физическими свойствами, такими как плотность, масса, объем и другие. В основном разделяют на 2D и 3D библиотеки: 2D – представляет собой элемент двумерной графики, который впоследствии вставляется в чертеж, или может представлять уже готовый чертеж проектируемого объекта. 3D – отображает трехмерную модель объекта, чаще всего это твердотельная модель, которую можно использовать как готовое изделие, и впоследствии добавлять в сборочные единицы или узлы ^[1]. 3D-библиотеки являются самыми востребованными, т.к. они могут хранить в себе большой объем информации, необходимый инженеру или конструктору при проектировании изделия машиностроения. В основном 3D-объекты уже хранят в себе двумерную графику и могут создать в автоматическом режиме ассоциативный чертеж ^[7].

Ввиду всего вышесказанного появилась необходимость в методике моделирования параметрических библиотек. В процессе создания методики моделирования параметрических библиотек зубчатых передач и зацеплений были разработаны следующие объекты:

1) параметрический шаблон геометрии;

2) параметрическая 3D-модель;

3) база данных параметров;

4) элементы управления пользовательского диалога;

5) окно пользовательского интерфейса выбора данных. Методика разделена на последовательные этапы выполнения работы.

Методика моделирования параметрических библиотек зубчатых передач и зацеплений.

1. Анализ зубчатой передачи или зацепления. Построение логики формирования процесса.

2. Создание переменных методом прямого программирования в процессе построения геометрического шаблона (профиля).

3. Создание таблиц значений БД согласно типоразмерам государственного стандарта.

4. Создание дополнительных и вспомогательных переменных в редакторе переменных.

5. Написание кодированных формул в выражениях переменных для определения связей и взаимоотношений между переменными и БД.

6. Создание диалога пользовательского интерфейса:

6.1. создание элементов управление диалогового окна;

6.2. создание связей между элементами управления диалогового окна и внешними переменными в привязке с БД.

6.3. окончательное формирование пользовательского диалогового окна интерфейса.

7. Отладка работоспособности параметрической библиотеки и внесение корректировок.

8. Добавление CAD-файла в общую библиотеку изделий.

Каждый этап разработанной мелодики следует описать более подробно для конкретизации решения последовательных задач при моделировании параметрических библиотек.

Анализ зубчатой передачи или зацепления. Построение логики формирования процесса

На первом этапе происходит изучение моделируемого объекта, вида зубчатой передачи или зацепления. В ходе анализа выявляются основные параметры зацепления или передачи, все необходимые данные компонуются из ГОСТ. В государственном стандарте определяется подход к варьированию параметров, подходов может быть три ^[2]:

1) ручной ввод значений параметров пользователем (гибкая логика);

2) выбор значений параметров из таблиц (БД) типоразмеров пользователем (жесткая логика);

3) смешанный тип ввода и выбора значений по определенным зависимостям, заложенным в основе проектирования зацепления или передач.

Данный этап важен с точки построения четкой задачи и алгоритма ее выполнения. Именно в самом начале продумывается логика процесса, т.е. какие взаимоотношения будут внутри между зависимыми параметрами. Итогом должен быть понятный и удобный интерфейс для пользователя, который имеет свои границы и свободу действия.

Создание переменных методом прямого программирования в процессе построения геометрического шаблона (профиля)

На втором этапе начинается процесс самой работы, в ходе которого первоначально строится геометрия профиля. При создании линий построения сразу же создаются переменные, значения которых соответствуют выбранному значению определенного размера зацепления или передачи. В процессе построения контура (профиля) с помощью линий изображения также могут создаваться переменные. Метод прямого программирования в данном случае позволяет создавать переменные прямо в процессе построения геометрии без дополнительных действий. Благодаря параметризации линии построения автоматически создают геометрические отношения и зависимости, вследствие чего итоговый профиль будет полностью параметрическим, а переменные обеспечивают его вариативность ^[3]. Пример профиля прямобочных шлицевых соединений представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Пример 2D-профиля, полученного в «T-FLEX CAD 3D»

Создание таблиц значений БД согласно типоразмерам государственного стандарта

После создания переменных при наличии таблиц определенных значений параметров зацепления или передачи следует в этом случае создавать таблицы БД. Таблица состоит из строк и столбцов, где столбец означает имя переменной, а строка определяет значение этой переменной. Тем самым в строке проставляются значения параметров конкретных типоразмеров. БД привязываются к переменным в виде комбинированного списка. Ячейки БД служат для хранения всех вариантов выражения для переменных. БД следует создавать не только для хранения значений параметров, но и она необходима для создания списков, которые будут использоваться в диалоговом окне интерфейса. БД можно импортировать из различных источников, а также экспортировать как набор данных ^[4]. Пример созданной БД прямобочных шлицевых соединений средней серии представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Пример БД, созданной в «T-FLEX CAD 3D»

Создание дополнительных и вспомогательных переменных в редакторе переменных

После создания основных переменных (параметров) и БД необходимо создать дополнительные и вспомогательные переменные. Дополнительные переменные могут служить в качестве переменных, связывающих между собой основные параметры и БД, чаще всего они являются текстовыми и представляются списком. Также дополнительные переменные могут применяться для расширения представления об объекте, например для отображения трехмерной модели (длина выталкивания, диаметр внешний и внутренний). Вспомогательные переменные в основном служат для удобства и восприятия диалогового окна пользовательского интерфейса, например, как для видимости объекта или отображения геометрии. Такие переменные следует создавать в минимальном количестве, чтобы не усложнять алгоритм и не создавать лишних связей, но при этом их должно быть достаточно для работоспособности процесса ^[5]. Пример созданных переменных для прямобочных шлицевых соединений изображен на рисунке 3.

Рис. 3. Пример редактора переменных, созданных в «T-FLEX CAD 3D»

Написание кодированных формул в выражениях переменных для определения связей и взаимоотношений между переменными и БД

На этом этапе осуществляется ключевая работа, практическая часть реализации. Именно в этой части прописываются все взаимосвязи между всеми переменными и БД. Выражения представляются в виде кодированных формул, написанных на встроенном языке программирования CAD системы, которые могут содержать многоуровневые процедуры логических условий. Все переменные должны быть связаны между собой прямо или косвенно через другие переменные, либо через геометрическую параметризацию. Ни одна переменная не должна быть не задействованной в процессе тестирования. Также стоит отметить, что код в выражениях не должен быть избыточен, не должен содержать лишние или дублирующиеся операции и условия. Для написания таких выражений необходимо воспользоваться рядом различных функций, описанных в п. 2 третьей главы. Возможность написать код без применения внешних сред программирования и обеспечивается методом прямого программирования, описанного ранее ^[5]. Благодаря этому методу в CAD системах возможно создавать макросы, шаблоны или библиотеки, при этом не только без применения внешних сред программирования, но и не обладая знаниями современных языков программирования. В завершении этого этапа стоит отметить, что при его выполнение возможно с применением геометрической параметризации и прямого программирования в CAD. Сочетанием этих возможностей обладает только одна CAD система – «T-FLEX CAD 3D» ^[6]. Пример одной из кодированной формулы в выражении переменной прямобочных шлицевых соединений показан ниже (1):

$Isp=="Исполнение 2"&&$Tip=="Вал"&&$Serie=="Легкая"?find(Лег.d1,Лег.zxdxD==$Light):($Isp=="Исполнение 2"&&$Tip=="Вал"&&$Serie=="Средняя"?find(Сред.d1,Сред.zxdxD==$Sred):($Isp=="Исполнение 2"&&$Tip=="Вал"&&$Serie=="Тяжелая"?find(Тяж.d1,Тяж.zxdxD==$Hard):($Serie=="Легкая"?find(Лег.d,Лег.zxdxD==$Light):($Serie=="Средняя"?find(Сред.d,Сред.zxdxD==$Sred):find(Тяж.d,Тяж.zxdxD==$Hard))))), (1)

Создание диалога пользовательского интерфейса

Следующий этап отвечает за пользовательский интерфейс, который позволяет любому пользователю (специалисту, инженеру, конструктору) использовать созданные переменные, БД и связи между ними для быстрого и удобного варьирования параметров объекта в зависимости от постановки задачи. Этот этап состоит из следующих шагов ^[7]:

1) создается диалоговое окно – это рабочая область для формирования элементов пользовательского интерфейса;

2) проводится анализ по составу элементов управления, определяется вид и количество используемых элементов;

3) создание элементов управления (статический текст, редактор, список, кнопка и т.д.);

4) привязка элементов управления с внешними переменными и БД, а также назначение действий для кнопок выполнения;

5) окончательное формирование пользовательского диалогового окна интерфейса (оформление и расстановка элементов управления для более удобного восприятия пользователей, настройка отображения и видимости в зависимости от выбора значений параметров и задания исходных данных для постановки задачи).

Описанный выше этап является заключительным в плане практической деятельности в процессе создания параметрической библиотеки зубчатых передач и зацеплений. Пример пользовательского диалога прямобочных шлицевых соединений представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Пример пользовательского диалога, созданного в «T-FLEX CAD 3D»

Отладка работоспособности параметрической библиотеки и внесение корректировок

Отладка работоспособности созданного диалога является важным и аналитическим этапом, на котором определяются возможные ошибки, связанные с различными действиями ^[6]:

1) параметризация линий построения – некорректное изменение (обновление) отображения и взаимного положения между геометрическими элементами при различных значениях переменных. Может быть связано с неправильно построенными связями, которые нарушают целостность геометрических отношений;

2) параметризация контура (профиля) – некорректное изменение (обновление) отображения и взаимного положения между линиями изображения при различных значениях переменных. Может быть связано с неправильной последовательностью обводки по линиям построения;

3) расчет значений переменных по кодированным формулам – некорректное присваивание значений переменным при выполнении различных логических условий, задаваемых в выражениях самих и зависимых переменных, и БД. Может быть связано с ошибкой написания кода в выражениях, а также неправильный алгоритм выполнения условий – «если а, то b, иначе с»;

4) привязка элементов управления – некорректное отображение значений и выполнение действий при активации элементов управления, связанных с внешними переменными. Может быть связано с ошибочным выбором вида элемента управления или несоответствием формата данных внешней переменной;

5) отображение и видимость объектов – излишнее отображение или отсутствие видимости объекта при различных значениях переменных. Может быть связано с ошибкой управления уровнями или слоями, на которых должны находиться соответственные объекты, а также ошибка условий в выражениях привязных переменных.

При необходимости вносятся соответствующие исправления и корректировки. После проведения ряда выявления вышеописанных ошибок проверяется работоспособность при возможных вариациях всех переменных для выявления ошибки человеческого фактора. Только после этого можно считать, что приложение рабочее и готово к эксплуатации.

Добавление CAD-файла в общую библиотеку изделий

Самым заключительным этапом является добавление созданного CAD-файла в общую или отдельную библиотеку CAD системы. После чего при выполнении инженерной задачи в меню библиотек необходимо выполнить ряд следующий действий ^[6]:

1) в дереве библиотек находится и вызывается конкретная библиотека;

2) после открытия файла запускается диалоговое окно пользовательского интерфейса;

3) выбираются или вводятся необходимые параметры зубчатой передачи или зацепления;

4) происходит пересчет, и обновляются 2D-изображение (чертеж) и 3D-модель элемента зубчатой передачи или зацепления;

5) сохранение элемента зубчатой передачи или зацепления отдельным файлом с измененными параметрами;

6) добавление в сборочную единицу смоделированного элемента зубчатой передачи или зацепления.

Пример использования параметрической библиотеки прямобочных шлицевых соединений показан на рисунке 5.

Рис. 5. Пример параметрической библиотеки, созданной в «T-FLEX CAD 3D»

Разработанная методика моделирования параметрических библиотек зубчатых передач и зацеплений является универсальной и может быть применена для моделирования библиотек любых видов зубчатых передач и зацеплений. Разработка библиотек для CAD систем позволяет гораздо упростить и ускорить процесс проектирования и моделирования, снижая затраты на трудоемкость, и повышая скорость выполнения работы. В современных условиях машиностроительной деятельности инженерно-конструкторские проектирование практически не обходится без использования библиотек. Применение библиотек позволяет конструкторам быстро и точно создавать необходимые объекты для решения текущих задач ^[5].

Результаты апробации разработанной методики библиотек зубчатых передач и зацеплений была успешно внедрена и испытана на машиностроительном предприятии АО «Станкотех» по производству, ремонту и модернизации технологического металлорежущего оборудования на примере прямобочных и эвольвентных шлицевых соединений на этапах конструкторско-технологической подготовки производства.