Обоснование предметной области.
Оптический прибор предназначен для преобразования информации, полученной от объекта наблюдения (обнаружения), и передачи этой информации на приемник оптического излучения. [ссылка на Латыев]
Существует большое количество типов оптических приборов, таких как геодезические, спектральные, измерительные, военные, космические, фото-видеотехнические, медицинские и др.
Оптический прибор состоит из оптических элементов. Оптическим элементом может являться линза, призма, зеркало, оправа линзы или призмы, плоско-параллельная пластинка и др.
Жизненный цикл оптического прибора, состоит из следующих этапов:
формирование технического задания. Техническое задание (ТЗ) – документ, устанавливающий основное назначение, область применения, технические показатели качества, состав, условия эксплуатации, этапы и сроки выполнения разработки оптического прибора (ОП);
формирование технического предложения. Техническое предложение – конструкторская документация (КД), разрабатываемая в целях выявления возможных вариантов технических решений и уточнения ТЗ.
формирование эскизного проекта. Эскизный проект – КД, описывающая общее представление о принципе работы и устройстве прибора, его основных характеристиках.
формирование технического проекта. Технический проект – КД, которая содержит полное представление о конструкции ОП.
формирование рабочего проекта. Рабочий проект – полный комплект КД для изготовления и эксплуатации ОП.
изготовление опытного образца – позволяет оценить работоспособность и параметры устройства.
испытание опытного образца – позволяет сделать заключение о соответствии прибора ТЗ.
внедрение прибора - передача изготовленного проекта заказчику.
утилизация – обуславливает такую переработку изделия, которая должна принести пользу владельцу изделия, его производителю, обществу в целом благодаря экономии природных ресурсов, улучшению экологии.[ссылка на учебник].
К проектно-конструкторским работам в оптическом приборостроении относятся следующие этапы, которые выполняют в основном инженеры – расчетчики и инженеры – конструктора: формирование технического задания, технического предложения, эскизного проекта, технического проекта.
Проанализировав этапы проектно-конструкторской работы, была составлена IDEF0-диаграмма, которая детально описывает процесса изготовления оптического прибора (П1.Рис.1).
На модели видно, что процессами изготовления оптического прибора занимаются производитель, оптик-расчетчик, конструктор.
Заказчик представляет техническое задание (ТЗ) производителю для анализа. ТЗ устанавливает, какими свойствами или характеристиками должен обладать прибор после его изготовления. При этом различают следующие характеристики:
функциональные характеристики определяют принципиальные возможности выполнения прибором его главной задачи;
конструктивные характеристики определяют такие свойства конструкции прибора как габариты, вес, число деталей, сложность их формы, степень стандартизации и унификации, материалоемкость и так далее;
технологические характеристики определяют качество процесса изготовления, сборки и испытания прибора для заданного типа производства;
экономические характеристики определяют экономическую целесообразность производства и эксплуатации прибора;
эксплуатационные характеристики определяют простоту и удобство эксплуатации, возможность перенастройки, устойчивость к влиянию окружающей среды, ремонтопригодность;
эргономические характеристики определяют удобство и безопасность взаимодействия человека-оператора с прибором;
эстетические характеристики определяют качество восприятия человеком (пользователем) внешнего вида прибора.[ссылка Шехонин «методология проектирования оптических приборов»]
Из анализа ТЗ производитель выявляет, из каких оптических узлов будет состоять прибор, их основные параметры, и формирует эту информацию для передачи её оптику-конструктору на расчёт конструктивных параметров узла. Используя рассчитанные параметры, оптик-расчётчик и конструктор определяют и высчитывают все нужные допуски на конструктивные параметры. Далее конструктор по составленному техническому предложению формирует эскизный проект. В техническое предложение входят технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки на основе анализа ТЗ и геометрическая характеристика элемента, и всем рассчитанным параметрам. Эскизное проектирование в соответствии с ГОСТ 2.119-73 преследует цели нахождения принципиальных (схемных, конструкторских, технологических) решений прибора, дающих общее представление о принципе работы и устройстве прибора. Используя эскизный проект, конструктор составляет технический и рабочий проекты, в которые входит полный комплект конструкторской документации. Рабочий проект является обязательным этапом проектирования, на котором разрабатывается рабочая документация, предназначенная для изготовления и испытаний опытного образца. После составления всей требующейся документации, рабочий проект отправляют производителю для изготовления прибора.
Из анализа этапов проектно-конструкторской работы изготовления прибора выявлено, что определенные этапы возможно автоматизировать:
расчет конструктивных параметров
расчет допусков на конструктивные параметры
формирование чертежа оптического узла
Таким образом, поставлена цель автоматизировать процесс формирования чертежа узла оптического прибора, разработав соответствующий программный комплекс, который будет формировать конструкторский документ в системе автоматизированного проектирования AutoCAD.
Формирование чертежа оптического узла состоит из этапа рисования эскиза изделия и его оформления путем нанесения на эскиз технических требований. Этот процесс может занимать до нескольких часов и заметно увеличивает срок проектирования.
В рамках настоящего дипломного проекта поставлена цель автоматизировать этап формирования эскиза оптического узла. В настоящее время, оптик-конструктор для формирования эскиза оптического узла использует различные САПР, которые оснащены инструментами рисования графических примитивов.
Эскиз – контурное изображение изделия, выполненное без применения чертежных инструментов, без точного соблюдения масштаба, но с соблюдением пропорций между отдельными элементами деталей. Эскизы предназначены для разового использования. По эскизам выполняют рабочие чертежи, а в отдельных случаях изготовляют детали.
При изображении оптической детали на чертеже используют общие правила машиностроительного и приборостроительного черчения, однако вследствие специфики назначения и изготовления оптической детали необходимо указывать некоторые дополнительные сведения, а также особые нормативные и технологические требования.
Обзор аналогов.
На основе анализа предметной области выявлено, что для достижения поставленной цели конструктора пользуются системами автоматизированного проектирования (далее САПР). Наиболее распространённые САПР – Компас 3D, AutoCAD, SolidWorks.
Построение геометрических примитивов в системе Компас 3D.
Геометрические примитивы – простейшая геометрическая фигура с заданными свойствами, выполненная соответствующим инструментом графического редактора.
В Компасе есть возможность построения простейших графических примитивов (точка, линия и др.). Эскиз формируется путем рисования отдельных графических примитивов и объединения их в один узел. Каждый примитив рисуется вручную (мышкой). В состав стандартных и дополнительных (устанавливаемых) библиотек не входят функции рисования эскиза оптических узлов.
Построение геометрических примитивов в системе AutoCAD.
Рисунки в AutoCAD строятся из набора графических примитивов, под которым понимается элемент чертежа, обрабатываемый системой как целое, а не как совокупность точек или объектов. Примитивы, как и в Компасе, могут строится вручную (мышкой). Также есть возможность построения графических примитивов с стандартных функций, которые вводятся в командную строку.
Построение геометрических примитивов в системе SolidWorks.
В системе SolidWorks существует библиотека рисования линз. Любые другие оптические узлы приходится рисовать путем объединения графических примитивов. Нет возможности интегрировать построенные чертежи из формата SolidWorks в формат AutoCAD.
Проведя обзор и сравнение аналогов выявлено, что каждая из представленной САПР не полностью автоматизирует процесс рисования эскиза узла оптического прибора. САПР частично автоматизируют этот процесс, предоставляя возможность с помощью существующих примитивов нарисовать оптический узел. Однако, время на рисование эскиза таким способом сокращается не на много. Например, для рисования эскиза склеенного объектива ручным способом (карандашом по бумаге) затрачивается около 40 минут. Рисование этого узла средствами САПР занимает около 30 минут. Таким образом целесообразно полностью автоматизировать процесс рисования эскиза оптического узла. Это возможно реализовать, разработав соответствующую программу, которая должна взаимодействовать с системой AutoCAD.
Проведя углубленный обзор аналогов, выявлено, что существует как минимум один прямой аналог, ранее разработанный студентом ФСПО.
Из проведенного обзора представленного аналога были выявлены следующие особенности программы:
Программа разработана в виде модуля, который встроен в систему AutoCAD, т.е. работает непосредственно в САПР AutoCAD;
Наличие диалогового интерфейса. Разрабатываемый модуль не нуждается в интерфейсе (является зависимым модулем), а аналог завязан на интерфейсе, т.е. ввод данных происходит по средствам диалогового окна, от чего необходимо уйти в разрабатываемом программном модуле, так как входные данные будут поступать от другого модуля. Это позволяет разрабатываемый модуль внедрять в другие программные комплексы, решающие подобные задачи;
Существующая программа рисует эскизы оправ двух типов (методом крепления резьбовым кольцом, приклеиванием), существует значительно больше, такие как крепление завальцовкой, проволочным кольцом, пружинящими планками, накладным кольцом. Нет возможности рисования других оптических узлов, таких как линза, призма, зеркало и др., а также составных узлов, таких как линза в оправе и др.;
Есть возможность описания каждого элемента узла с помощью языка AutoLisp, но оно направлено только на описание оправ линз;
Входные данные хранятся в виде файла со сложной структурой – обычный пользователь без специальных знаний языка AutoLisp не сформирует этот файл. Доступ к данным на оптический узел, хранящимся в файле, не универсален – набор параметров, которые охарактеризуют оптический узел (геометрические характеристики), фиксированный. Эффективнее, если количество параметров динамическое. Это можно реализовать за счет применения технологии обработки ассоциативных списков;
Модуль невозможно внедрить в разрабатываемый программный комплекс, т.к. код не оптимизирован (есть только функция main, все переменные глобальные, не используется технология ассоциативных списков);
Анализируя аналогичное решение был сделан вывод, что в существующей программе возможность построения оптического узла ограничивается построением оправы линзы. Разрабатываемый модуль предполагает возможность построения эскиза различных оптических элементов. Также был выявлен главный недостаток аналога – неспособность внедрения модуля в любой разрабатываемый программный комплекс.
Цель проекта.
Проанализировав выше сказанное, была поставлена цель автоматизировать процесс рисования эскиза оптического узла в рамках программного комплекса, который автоматизирует выпуск конструкторской документации на изготовления оптического прибора путем разработки программного модуля.
Основной функцией разрабатываемого модуля является рисование эскиза оптического узла по конструктивным параметрам, которые поступают от соответствующих модулей.
Функциональные требования
Разрабатываемая программа должна выполнять следующие функции:
рисование эскиза линзы;
рисование эскиза оправы оптического элемента (линзы, призмы);
рисование эскиза оптической призмы;
рисование эскиза сборочных узлов (например линза в оправе, или склеенная линза).