CC BY
82
3. Кучуганов А.В. Структурный анализ графической информации: монография / А.В. Ку-чуганов. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2016. 240 с. ISBN 978-5-7526-0732-5
4. Kasimov, D.R. Vectorization of Raster Mechanical Drawings on the Base of Ternary Segmentation and Soft Computing / D.R. Kasimov, A.V. Kuchuganov, V.N. Kuchuganov, P.P. Oskolkov // Programming and Computer Software. - Pleiades Publishing, Ltd., 2017. Vol. 43. No. 6. pp. 337-344. doi: 10.1134/S0361768817060056
Modeling reasoning on graphical information in problems of decision support systems
Kuchuganov Aleksandr Valeryevich, Department of Automated Data Processing and Control Systems, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
ne work it is proposed to use ALC descriptive logic with a special extension for data, represented in the form of attributive graphs, named as ALC (GI) for formal description and structural analysis of object images. The purpose of this logic is to reduce the scope of interpretation and interpreting functions for tasks with a graph data structure. Keywords: image, analysis, graph, descriptive logic..
УДК.67.02, 004.942, 519.178
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ СЛОЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ
Аркадий Николаевич Божко, канд. техн. наук, доц.
E-mail: [email protected] МГТУ им Н. Э. Баумана bmstu.ru
Рассматривается проблема автоматизации проектирования сборки сложных технических систем. Дана классификация моделей и методов решения этой важной научно-технической проблемы. Приведен обзор актуальных работ по моделированию процессов сборки при помощи технологии виртуальной реальности.
Ключевые слова. Сборка, автоматизация проектирования, виртуальная реальность, геометрические препятствия.
Автоматизация проектирования процессов сборки сложных изделий (Computer aided assembly planning, CAAP) - это важное и актуальное направление теории проектирования и современной промышленности [1]. Для решения этой сложной и многоаспектной проблемы применяют различные модели информатики и дискретной математики: теория графов, искусственный интеллект, программирование роботов, комбинаторная геометрия, математическая логика, общая и булева алгебра, теория баз данных, машинная графика, анализ столкновений (Collision detection), планирование перемещений (Motion planning) и др. (рис.1)
В [2] описаны комбинаторные модели автоматизированного проектирования, в которых изделие рассматривают как совокупность элементов (деталей, поверхностей, геометрических примитивов и др.), на которых заданы отношения различной физической природы (геометрические, механические, размерные, кинематические и др.). Методы данной группы требуют активного участия ЛПР в подготовке исходной информации.
Модели и методы автоматизированного проектирования сборочных процессов
Рис. 1. Модели и методы СААР
В [3] приведен обзор методов геометрического вывода при сборке сложных изделий. Большая часть методов данного класса дает только необходимые условия геометрической разрешимости. Достаточные условия можно получить при помощи имитации движения устанавливаемой детали в среде, которую образуют собранный фрагмент изделия и элементы технологической системы. В общем случае, прямое моделирование
геометрической разрешимости требует очень высоких вычислительных затрат.
Методы автоматизированного проектирования процессов сборки, основанные на парадигме искусственного интеллекта, рассмотрены в [4]. Чаще всего для этого используются прикладные системы логического вывода и семантические сети. Основной недостаток этих популярных средств ИИ - сложности при передаче конструкторской и технологической информации между проектами.
В методах планирования перемещений сборка технической системы рассматривается как движение точки в конфигурационном пространстве собранного фрагмента. Размерность конфигурационного пространства зависит от числа собранных деталей и может достигать больших значений даже для изделий невысокой сложности. Кроме того, методы этой группы не учитывают многочисленные ограничения не геометрической природы (кинематические, размерные и пр.), которые накладывает конструкция и технологическая система на допустимые проектные решения.
Методы оптимизации посвящены поиску рациональной последовательности сборки из множества альтернатив очень высокой мощности [5]. Во всех работах данного направления предполагается, что это множество задано априори или существует эффективная процедура, которая проверяет допустимость альтернатив. Для выбора рационального проектного решения чаще всего используются методы бионические оптимизации (роя частиц, колонии муравьев др.).
В методах декомпозиции обсуждаются способы автоматизированного синтеза рационального разбиения изделия на сборочные единицы.
Рассмотрим интерактивные методы СААР, в которых автоматизированное проектирования процессов сборки сложных изделий основано на интерактивном взаимодействии эксперта и вычислительной системы. Инженер, который разрабатывает процесс сборки изделия в САПР, располагает ограниченными средствами управления, состоящими из клавиатуры и мыши (джойстика, трекбола и др.). Обратная связь оператора со трехмерной сценой поддержана единственным визуальным каналом - отображение сцены на плоском экране. По этим причинам компьютерные эксперименты с трехмерной моделью изделия становятся затруднительными, а в некоторых ситуациях и невозможными. Все это снижает достоверность экспертной информации для любой даже глубоко разработанной и продуманной процедуры опроса ЛПР.
Идея построения эффективной CAAP-системы на основе рационального взаимодействия человека и комплекса программно-технических средств получила развитие в исследованиях и разработках, посвященных виртуальному прототипированию сборочных процессов (Virtual prototyping of assembly planning). Ключевая особенность систем виртуальной реальности (Virtual reality, VR) является человеко-машинный интерфейс, который позволяет оператору управлять процессом сборки цифровой модели изделия с иллюзией погружения в трехмерную компьютерную реальность. Для этого оператору предоставляются средства визуального, тактильного и аудио управления состоянием сцены в процессе сборки/разборки 3Б-модели. Системы виртуальной реальности призваны освободить человека от неорганичных и неудобных сценариев извлечения экспертных данных. Они, в идеале, предлагают оператору естественную роль в ситуации, которая часто приближается к игровой, что повышает его мотивацию и, следовательно, надежность экспертных данных.
Внедрение технологий виртуальной реальности в проектирование сборочных процессов преследует две основные цели [6]. Во-первых, это дает возможность оценить качество проекта на ранних этапах проектирования и конструирования согласно принципам DFA (Design for assembly), распознать нетехнологичные решения и внести необходимые изменения в проект без математического моделирования и натурных экспериментов с макетом изделия. Во-вторых, симуляция процесса сборки в системах VR происходит в более реалистичных условиях, чем при математическом моделировании, когда многие существенные факторы отбрасываются или значительно огрубляются. Виртуальное прототипирование позволяет учесть наличие приспособлений, геометрию сборочного инструмента, планировку производственных помещений, технику выполнения сборочных переходов оператором и многие другие особенности технологической и производственной систем. Из виртуальной сборки цифровой модели можно извлечь важнейшую проектную информацию: рациональную последовательность сборки, траектории перемещения деталей, сведения о потребных средствах технологического оснащения (приспособлениях, инструментах), оптимальное распределение нагрузки по рабочим местам, и даже организовать обучение робота-сборщика [7].
Большая часть работ по виртуальному прототипированию сборочных процессов посвящена различным видам обеспечения технологии виртуальной реальности. В них рассматриваются технические средства VR, реализация человеко-машинных интерфейсов (визуального, тактильного и аудио), сценарии взаимодействия оператора со виртуальной средой, психологические аспекты поведения человека в виртуальном окружении [8, 9].
Работа [ 10] относится к числу немногих исследований, в которых обсуждается извлечение важной проектной информации из сеансов виртуального прототипирования. Симуляцию процесса сборки выполняют в VR-системе VPASPE. Цифровую модель изделия импортируют из CAD-системы Pro/Engineer в формате IGES. Оператор выполняет виртуальную сборку модели изделия при помощи технических средств системы VPASPE. Все удачные и неудачные попытки оператора протоколируют, а допустимая последовательность проверяется на геометрическую разрешимость средствами анализа столкновений, встроенными в систему Pro/Engineer. На основе этих сведений формируют модель отношений предшествования (Precedence expressions), которая включает в себя данные об упорядочении деталей в процессе сборки. Авторы предлагают алгоритм, который по данной модели реконструирует информацию о собираемости и расчленяемо-сти изделия и представляет её в виде И - ИЛИ-графа. Выбор рациональной последовательности сборки выполняют в два этапа. Сначала система отыскивает в И - ИЛИ-графе допустимую последовательность с минимальным значением целевой функции. Целевая функция рассчитывается автоматически и учитывает такие особенности процесса сборки как число направлений, геометрическая свобода, устойчивость собранных фрагментов и
др. Полученную последовательность предлагают оператору для виртуального эксперимента. В процессе сборки цифровой модели изделия оператор верифицирует предложенный план. Если он обнаружил сложные для реализации фрагменты, то информация о них передается в систему, которая пересчитывает целевую функцию и отыскивает другую последовательность с минимальной оценкой.
Синтез отношения предшествования деталей по результатам виртуального прото-типирования процесса сборки рассматривается в [11]. В работе не обсуждают технические подробности, относящиеся к конфигурации системы виртуальной реальности. Считают, что сеанс цифровой симуляции успешно выполнен и получена допустимая последовательность сборки трехмерной модели изделия. Описан способ извлечения бинарных отношений предшествования из этой последовательности. Все бинарные отношения предшествования делят на прямые (Direct constraints) и выводимые (Implicit constraints). Первые формируются по условиям геометрической разрешимости и на основе данных о геометрических связях, которые импортируются из 3D-модели. Например, если локальная система координат детали b привязана к системе координат детали а, то формируется ограничение PC(a,b), что означает, что b предшествует а. Для синтеза выводимых ограничений применяют только одно правило транзитивности: PC(a,b), PC(b,c) ==> PC(a,c). Все полученные ограничения сводят в матрицу ограничений. Предложен алгоритм, который по матрице ограничений строит совокупность допустимых последовательностей сборки изделия.
Рассмотренная работа основана на единственном правиле вывода по транзитивности. В ней не используются многочисленные дедуктивных, индуктивных и абдуктивных правила, которые можно сформулировать на основе конструкторских и технологических связей. Очевидно, что вывод на основе одного правила, в общем случае, не может быть эффективным.
В [12] предложен комбинированный метод проектирования, сочетающий достоинства автоматического синтеза и виртуального прототипирования процесса разборки сложных изделий. По трехмерной цифровой модели изделия можно получить частичную последовательность разборки в автоматическом режиме. Для этого авторы предлагают использовать алгоритм геометрической разрешимости, описанный в [13]. Предложена новая редакция алгоритма, в которой учитываются все направления разборки и цилиндрические сопряжения деталей. Поскольку алгоритм анализирует только локальную свободу перемещений деталей, он может синтезировать только частичный план разборки. Алгоритм включает в себя сведения о частичной последовательности разборки и возможных направлениях перемещения деталей. Это неполное проектное решение представляет собой исходную информацию для виртуального эксперимента. По результатам симуляции в системе виртуальной реальности частичную последовательность верифицируют и дополняют сведениями о траекториях перемещения деталей, применяемом инструменте и др.
Оригинальный подход к моделированию процессов разборки сложных изделий при помощи технологии виртуальной реальности описан в [14]. Предполагается, что в автоматическом режиме получена информация о всех конструктивно допустимых последовательностях разборки. Эти данные представляют в виде так называемого графа разборки (Disassembly graph), где вершины описывают состояния изделия в процессе разборки, а ребра - операции демонтажа. Для выбора рациональной последовательности выполняют сеанс взаимодействия оператора с системой виртуальной реальности. Особенность подхода заключается в том, что в канале визуальной обратной связи оператор видит не только трехмерную модель изделия, но и фрагмент графа разборки, который представляет данную операцию и ее возможные продолжения. Система показывает на графе возможные альтернативы процесса разборки и «критические проектные ситуации». Все это позволяет оператору организовать рациональный перебор альтернатив и принимать более обоснованные и продуманные решения на каждом шаге виртуального
эксперимента.
Опыт эксплуатации систем виртуальной реальности в проектировании сборочных процессов показал, что эффективность этой технологии в значительной степени зависит от эффекта погружения оператора в виртуальную реальность. Чтобы создать достоверную иллюзию присутствия, VR-система должна обладать развитым техническим обеспечением, которое включает в себя, как минимум, шлем виртуальной реальности и средства тактильной обратной связи, позволяющие оператору почувствовать усилия при сборке и захвате, скорости перемещения деталей и их поверхностные свойства. Лучшие результаты дают развитые системы виртуальной реальности, относящиеся к классу CAVE-систем [9].
Опыт использования систем виртуальной реальности в автомобилестроении обсуждается в [15]. Авторы перечисляют несколько обязательных условий, без выполнения которых нельзя считать оправданным и эффективным использованием VR-систем для верификации сборочных операций:
• Мультимодальный интерфейс, который включает в себя распознавание жестов, 3D-меню, выбор лучём, голосовое управление и подсказку.
• Возможность использования в процессе сборки «двух рук». Это особенно важно для монтажа некоторых автомобильных узлов, включающих в себя сложные кинематические цепи.
• Способность системы VR-системы моделировать «на лету» физические эффекты, влияющие на сборочные операции (упругие и пластические деформации, силы трения и тяжести, скорости и ускорения движений).
Все это предопределяет высокую стоимость систем виртуальной реальности и ограничивает их использование в технологической подготовке сборочного производства. Тем не менее, данный подход к проектированию процессов сборки сложных технических систем позволяет органично сочетать эвристические способности ЛПР и вычислительные ресурсы компьютера. Поэтому он имеет значительные перспективы развития и применения в различных отраслях современной промышленности.
Литература
1. Ghandi S., Masehian El. Review and taxonomies of assembly and disassembly path planning problems and approaches // Computer-Aided Design. 2015. Vol. 67-68. Pp. 58-86. DOI: 10.1016/j.cad.2015.05.001.
2. Божко А.Н. Комбинаторные модели для сборки и декомпозиции изделий // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 10. DOI: 10.7463/1015.0817524.
3. Божко А.Н. Методы анализа геометрической разрешимости при сборке изделий // Интернет-журнал НАУКОВЕДЕНИЕ. 2016. Т. 8. № 5. DOI: 10.15862/82TVN516.
4. Божко А.Н., Родионов С.В. Методы искусственного интеллекта в автоматизированном проектировании процессов сборки // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Электрон. журн. 2016. № 8. DOI: 10.7463/0816.0844719.
5. Карпенко А.П. Современные алгоритмы поисковой оптимизации. Алгоритмы, вдохновленные природой. - М.: МГТУ, 2014. 448 с.
6. Xia P., Lopes A., Restivo M.T. A review of virtual reality and haptics for product assembly (part 1): rigid part // Assembly Automation. 2013. Vol. 33. Issue 1. Pp. 68-77. DOI: 10.1108/01445151311294784.
7. Seth A., Vance J., Oliver J. Virtual reality for assembly methods prototyping: a review // Virtual Reality. 2011. Vol. 15. Issue 1. Pp. 5-20. DOI: 10.1007/s10055-009-0153-y.
8. Jun Y., Liu J., Ning R., Zhang Y. Assembly process modeling for virtual assembly process planning // International Journal of Computer Integrated Manufacturing. 2005. Vol. 18. Issue 6. Pp. 442-451. DOI: 10.1080/09511920400030153.
9. Xia P., Lopes A., Restivo M.T. Virtual reality and haptics for product assembly // International Journal of Online Engineering. 2012. Vol. 8. Issue S1. DOI: 10.3991/ijoe.v8is1.1894.
10.Yin Z., Ding H., Xiong Y. A virtual prototyping approach to generation and evaluation of mechanical assembly sequences // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2004. Vol. 218. Issue 1. Pp. 87-102. DOI: 10.1243/095440504772830237.
11. Yuan X. An interactive approach of assembly planning // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics - Part A: Systems and Humans. 2002. Vol. 32. Issue 4. Pp. 522-526. D01:10.1109/TSMCA.2002.804822.
12.Siddique Z., Rosen D. A virtual prototyping approach to product disassembly reasoning // Computer-Aided Design. 1997. Vol. 29. Issue 12. Pp. 847-860. DOI: 10.1016/S0010-4485(97)00034-1.
13. Woo T., Dutta D. Automatic disassembly and total ordering in three dimension // Journal of Engineering for Industry. 1991. Vol. 113. Issue 2. Pp. 207-213. DOI: 10.1115/1.2899679.
14.Berg L., Behdad S., Vance J., Thurston D. Disassembly sequence evaluation using graph visualization and immersive computing technologies // ASME 2012 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. 2012. Vol. 2. Parts A and B. Pp. 1351-1359. DOI: 10.1115/DETC2012-70388.
15.De Sa A., Zachmann G. Virtual reality as a tool for verification of assembly and maintenance processes // Computers & Graphics. 1999. Vol. 23. Issue 3. Pp. 389-403. DOI: 10.1016/s0097-8493(99)00047-3.
Computer aided assembly planning of complex products using virtual reality systems
Bozhko Arkadiy Nikolayevich, Ph.D., associate professor, Bauman Moscow State Technical University
The problem of computer aided assembly planning for complex technical systems is considered. Classification of models and methods for solving this important scientific and technical problem is given. The review of actual works on modeling of assembly processes by means of virtual reality technology is given.
Keywords. Assembly, computer aided design, virtual reality, geometric obstacles.
УДК: 004.94
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ,
НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ
Шорников Юрий Владимирович, докт. техн. наук, доцент, профессор,
E-mail: [email protected] Попов Евгений Александрович, аспирант, Е-mail: [email protected], Новосибирский государственный технический университет,
http://www.nstu.ru
Показаны примеры использования компьютерного моделирования в науке, образовании, при выполнении научных исследований и в промышленных приложениях. Представленные компьютерные модели были построены в оригинальной инструментальной среде ИСМА, отличительные особенности которой кратко рассмотрены в работе.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, инструментальная среда, гибридные системы, проект InMotion.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ 17-07-01513) и гранта Европейского союза по программе ERASMUS+ Capacity building in higher education, проект 573751-EPP-1-2016-1-DE-EPPKA2-CBHE-JP, Innovative teaching and learning strategies in open modelling and simulation environment for student-centered engineering education.
Современные достижения науки и промышленности создают предпосылки и диктуют качественно новые требования к техническим системам. Сложные новые программно-управляемые технические системы и комплексы характеризуются нетривиальными динамическими процессами.
