Введение

Повышение рентабельности производства является одной из наиболее актуальных задач для многих предприятий на сегодняшний день. Среди многих факторов, влияющих на этот показатель наиболее значимыми являются такие, как временные затраты на проектирование изделия и гибкость исходной модели к изменениям в зависимости от требований рынка. Чтобы качественно улучшить значение показателей производства, в промышленности широко нашли свое применение различные CAD-системы, которые позволяют сократить расход материальных и временных ресурсов на предпроизводственную подготовку, а также обеспечивают возможность последующего редактирования различных фрагментов модели без повторного построения модели.

Целью данной работы является анализ возможностей различных методов и информационных технологий для автоматизированного проектирования и редактирования изделий сложной геометрии. Так же одной из важных задач данной работы является оценка возможности определения физических характеристик объекта с целью изменения и исправления возможных недостатков. Реализация такой задачи возможна с использованием различных геометрических форм в трехмерном декартовом пространстве, которые поддаются единому описанию.

Объектом исследования является автоматизация процесса создания и изменение поверхностей, и объектов сложной геометрии.

Предметом исследования является определение возможностей программного комплекса PowerSHAPE для построения изделий сложной геометрии различного типа.

Методология проведения интеграции основана на использования библиотеки «PowerSolutionDOTNetOLE.dll», которая позволяет подключаться к CAD PowerSHAPE и выполнять построения объектов на уровне создания макросов. Это позволяет получить полную свободу действия для создания, редактирования объектов в CAD системе с последующей передачей их в сборку.С помощью этой бибилотеки мы можем получить данные об объекте : высота, ширина, объем, площадь поверхности, координаты ключевых точек, поверхностей, граней на объекте.

Задачи:

- анализ объектов PowerSHAPE и извлечение из них дополнительной информации;

- классификация методов построения поверхностей;

- разработка параметризованного метода построения плоскостей;

- разработка библиотеки интеграции с CAD системой PowerSHAPE;

- расчет нагрузок создаваемых зубами на пародонт;

Научная новизна результатов работы заключается в разработке автоматизированного создания брекет-системы с расчетом создоваемых нагрузок на зуб и пародонт.

Изученные методы интеграции с PowerSHAPE позволяют управлять процессом построения тел или объектов, без вмешательства человека, что обеспечивает следующие полезные возможности:

- удобная настройка параметров построения объекта;

- получения наглядной информации о объектах;

- редактирования объектов после построения.

1. Анализ методов проектирования изделий сложной геометрии

1. Анализ современных информационных технологий для проектирования изделий сложной геометрии

Изготовление детали начинается с создания геометрической модели объекта в систем PowerSHAPE. В системе проектирования осуществляется предварительная отработка дизайна и конструкции объекта, используя методы машинного анализа, исследуются характеристики будущего изделия. Отработанная на уровне машинного анализа геометрическая модель готова для передачи на следующий этап процесса создания изделия - изготовление прототипа. При помощи специальной функции поверхность модели аппроксимируется треугольниками (триангулируется). Иногда этот процесс не совсем корректно создает триангуляцию объекта, поэтому необходимо проверить и, при необходимости, скорректировать полученное описание модели.

Системы САПР отличаются, прежде всего, методами создания и представления объекта и способами описания его геометрии.

Методы описания поверхностей объекта в САПР перечислены в [1].

. Описание неявными функциями заключается в моделировании поверхностей следующей математической формой 1:

f(X,Y,Z)=0, (1)

где, X,Y,Z v координаты объектного пространства.

Неявная форма задания поверхности органично приспособлена для использования в методе твердотельного описания объектов и при методе трассировки лучей, так как существуют простые приемы определения взаимного положения точки и поверхности такого типа, определение точки пересечения прямой и поверхности.

Поточечное описание поверхностей заключается в представлении поверхности множеством отдельных точек, принадлежащих этой поверхности. Описываемый подход применяется на практике достаточно редко, что связано с трудоемкостью снятия данных об объекте, большими вычислительными затратами и значительным объемом исходных данных на описание объекта.

Параметрическое описание поверхностей. Поверхности задаются в форме 2:

X=X(u, v), Y=Y(u, v), Z=z(u, v), (2)

где u, v параметры, изменяющиеся в заданных пределах.

Для одной пары значений u, v можно вычислить положение одной точки поверхности. Для полного представления обо всей поверхности необходимо с определенным шагом перебрать множество пар u, v из диапазона их изменений, вычисляя для каждой пары значение X, Y, Z в трехмерном пространстве. Основным преимуществом параметрического описания является возможность передачи геометрической формы очень сложных поверхностей, которые другими методами описать очень сложно. Другое преимущество параметрического описания заключается в приспособленности к физическим процессам управления резцом в станках с числовым программным управлением.

В системе проектирования используется три способа построения геометрической модели изделия, описание объекта телами, поверхностями и описания типа проволочной сетки. Основное различие состоит во внутреннем представлении объекта и в способе построения.

Описание типа проволочной сетки заключается в представлении поверхности объекта серией пересекающихся линий, принадлежащих поверхности объекта.

В поверхностном моделировании используется представление объекта набором тонких поверхностей, под которыми находится пустое пространство. При этом поверхность может быть сколь угодно сложной формы. Строятся поверхности, как правило, по кривым, описывающим их границы. Очевидным преимуществом поверхностного моделирования является возможность построения объекта любой сложности и конфигурации. Как правило, поверхностное моделирование используется в тех областях, где затруднено или невозможно применение твердотельного моделирования: дизайнерские проекты, моделирование обводов самолета или автомобиля, создание объектов с нестандартными элементами (например, скругление с изменяемым радиусом, винтообразная улитка) и т. д.

В твердотельном моделировании для построения объекта используется три класса систем: с ячеечным представлением объекта (системы пространственного заполнения), моделирование сплошными геометрическими конструктивами, системы с представлением объекта его границами. Наиболее часто применяется моделирование конструктивами. При проектировании используются преимущественно стандартные геометрические тела (куб, цилиндр, тор и т. п.), над которыми осуществляются операции моделирования (объединить, вычесть, пересечь и т. п.). Результатом твердотельного моделирования может являться достаточно сложный геометрический объект. При этом подразумевается, что объекту принадлежат все точки и на поверхности и внутри него. Внутренним представлением объекта в твердотельном моделировании является полная история создания данного объекта, т.е. древовидная структура типа взять шар, вычесть из него конус, результат объединить с тором и т.д.. Это позволяет легко изменять объект и выполнять его параметризацию после окончания проектирования .

Потребности многих областей применения систем PowerSHAPE полностью удовлетворяются возможностями твердотельного моделирования.

Технология твердотельного моделирования является достаточно перспективной в использовании, так, как позволяет четко определить форму объекта и в дальнейшем разграничить внешнюю и внутреннюю области объекта с целью избежать многих неточностей в процессе производства деталей изделия или его сборки; произвести автоматическое построение трехмерных разрезов сборки, что позволяет упростить контроль качества изделия. Также появляется возможность применить различные методы анализа и с помощью метода конечных элементов получить точные весовые характеристики изображения [4-6].

Математические методы описания объектов подразделяются следующими категориями: представление путем разложения на элементы, пространственное представление, граничное представление и конструктивное представление. Перейдем к рассмотрению каждой из них.

Геометрические модели различной сложности могут быть описаны как совокупность примитивов [1].

На основе классификаций методов получения параметризованного геометрического объекта, С.А. Борисов, В.В. Смолянинов, М.Н. Терентьев, можно выделить три основные категории: параметризация, ассоциативная геометрия и объектно-ориентрованное моделирование [2].

Основное преимущество параметризованных моделей состоит в их высокой гибкости к изменениям формы модели, что позволяет с достаточно высокой скоростью и эффективностью получать альтернативные конструкции изделия либо изменять изделие на концептуальном уровне в целом. Так же изменение модели, которая не имеет возможности быть параметризованной может стать причиной достаточно высоких затрат, поэтому в таком случае использование параметрических моделей более предпочтительно.

Концепция параметрического моделирования заключается в том, что все примитивы, составляющие модель, образуют между собой определенные связи, и с использованием этих связей, а так же определенных параметров этих примитивов можно за относительно короткий промежуток времени получить несколько вариантов данного объекта.

Одним из подходов параметрического моделирования является объектно-ориентированное моделирование. Этот метод может определять поведение геометрического объекта при дальнейших его модификациях. Данный метод моделирования может позволять использовать как макро-операции, так и ассоциативные базовые операции. Макро-операции являют собой последовательность выполнения булевых операций над графическими примитивами, из которых состоит заданный объект. Базовые операции помимо этих сведений так же включают в себя определенные правила поведения объектов и атрибуты, которые могут быть использованы в ходе производства изделия [3-6].