Hệ thống phản chuyển linh hoạt cho các hệ CAD/CAM cơ khí

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hệ thống phản chuyển linh hoạt cho hệ CAD/CAM khí A flexible solid 3D model reconstruction system for mechanical CAD/CAM systems Hoàng Long2,*, Hoàng Tiến Dũng1, Nguyễn Tuấn Linh1 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Trường Đại học Bách khoa Hà Nội * Email: hoanglonggeobk@gmail.com Tóm tắt Từ khóa: CAD, CAM, Hình chiếu, Phản chuyển Các mơ hình CAD ba chiều thường nhà thiết kế sử dụng ứng dụng lĩnh vực CAD / CAM / CAE / CAQ Một xu hướng mong muốn tạo mơ hình này, từ lâu nghiên cứu nhà khoa học khắp giới, tái tạo mơ hình 3D từ hình chiếu Với phương pháp này, dễ dàng để nhập thơng tin hình học sử dụng vẽ 2D tồn Hầu hết cơng trình trước sử dụng ba hình chiếu, nhiều chi tiết phổ biến cần hai hình chiếu Một hệ thống phản chuyển linh hoạt đáp ứng với hai hình thức biểu diễn nói chủ đề nghiên cứu báo Phương pháp đề xuất cài đặt thử nghiệm chương trình ADSRX chạy phần mềm AutoCAD Các kết mơ hình 3D kiểm tra tính tương thích với hệ thống CAD/CAM Abstract Keywords: CAD, CAM, Orthographic Views, Reconstruction Three-dimensional CAD models are usually used by designers fortheir applications in the areas of CAD / CAM / CAE / CAQ A desirous trend to create this model has long been studied by scientists around the world, called 3D model reconstruction from views With this method, it is easy to input geometric information as well as using 2D drawings that have already existed Most of the previous works used three views, but many of the common details requiresonly two views A flexible reconstruction system that responds to the both forms is the subject of study in this work The proposed method was installed and tested by an ADSRX program running on AutoCAD software The 3D model results have been checked for the compatibility with CAD/CAM systems Ngày nhận bài: 21/7/2018 Ngày nhận sửa: 05/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Mơ hình solid 3D máy tính trở nên thiết yếu kỹ thuật khí đại ứng dụng gắn liền với tính toán ứng suất, chuyển vị theo phương pháp phần tử hữu hạn, phân tích động lực học, tĩnh học, gia công số, quan sát trực quan Để tạo mơ hình này, có ba HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 khuynh hướng chính: Sử dụng phần mềm CAD 3D SolidWork, Inventor, Catia, NX… để trực tiếp tạo khối hình học sau liên kết chúng với tốn tử Boolean; Tái tạo tự động solid 3D từ vẽ kỹ thuật có sẵn dựa hình biểu diễn 2D (được gọi tự động phản chuyển); Vẽ hình chiếu phản chuyển tự động thành Solid 3D Phương pháp thứ thành công, bắt đầu xuất từ 1990 với AutoCAD R12, ngày tốt gần đạt độ hoàn hảo, bên cạnh ưu điểm người thiết kế phải có kỹ phân tích đối tượng thực tương tác thủ công với CAD 3D nên họ phải có kỹ đọc hiểu vẽ kỹ thuật sử dụng thành thạo hệ CAD 3D, điều bất tiện với kỹ sư lâu năm quen thuộc với cách thiết kế truyền thống, File Solid 3D có tính tương thích phần mềm CAD 3D với phần mềm phiên khác (do tính thương mại) Ngồi việc sửa chữa File CAD 3D phức tạp nhiều so với sửa chữa File CAD 2D Với phương pháp thứ hai thứ ba, người thiết kế cần tạo (hoặc có sẵn) vẽ kỹ thuật 2D, điều dễ dàng, nhanh chóng quen thuộc với kỹ sư Tính tương thích phiên CAD 2D tốt (phiên cao đọc File phiên phản thấp chuyển đổi File phiên cao dạng phiên thấp hơn) Ngoài việc sửa chữa File CAD 2D đơn giản nhiều so với sửa chữa File CAD 3D hầu hết sản phẩm đã, biểu diễn lưu trữ vẽ kỹ thuật Với ưu điểm nên phương pháp thứ hai thứ ba khai sinh từ 1970 Idesawa [1] liên tục đông đảo nhà khoa học toàn giới tập trung nghiên cứu [2,3], cơng trình họ phân thành hai nhóm: nhóm sử dụng cấu trúc B-Rep (Boundary Representation); nhóm sử dụng cấu trúc CSG (Constructive Solid Geometry) Việc khảo sát cơng trình cho phép đưa đánh giá sau: Gần đây, phương pháp phản chuyển dựa mơ hình B-Rep đánh giá cao phương pháp dựa mơ hình CGS Điều chủ yếu phương pháp dựa mơ hình CSG thích hợp với vật thể có hình dạng, cấu trúc phức tạp (đặc biệt mà khối tương tác làm khả nhận biết chúng) thường yêu cầu tương tác với người dùng nhiều so với phương pháp dựa mơ hình B-Rep Tuy nhiên, cách tiếp cận dựa mơ hình B-Rep cịn số vấn đề tồn tại: Hầu hết phương pháp phản chuyển địi hỏi đầu vào ba hình chiếu vẽ kỹ thuật thường sử dụng hai hình chiếu để mơ tả chi tiết máy thơng dụng, việc loại bỏ tất đối tượng sai thường không triệt để, chưa sử dụng thông tin “thấy khuất” hình chiếu dẫn đến cần nhiều hình chiếu để loại bỏ đối tượng sai này, cơng trình tìm tất khả kết phản chuyển, phạm vi loại đối tượng hạn chế, nhiều phương pháp thích hợp đề xuất cho đối tượng đa diện, số khác mở rộng phương pháp dành cho đa diện vào mô hình vật thể chứa mặt bậc hai chưa xử lý giao tuyến phức tạp cấu trúc tương tác (cộng, trừ, giao) khối chứa mặt cong đó, chưa có cơng trình đạt ba ưu điểm là: phản chuyển cho vật thể có chứa khối trịn xoay, từ hai hình chiếu đưa đủ nghiệm Những phân tích lý tiến hành cơng trình trước [4-7] vấn đề phản chuyển tự động dựa hình chiếu, [8] dựa hình chiếu Những cơng trình bước khắc phục tồn nêu thành công với nhiều loại đối tượng, nhiều vấn đề tồn cần tiếp tục nghiên cứu giải quyết, vấn đề: làm để xây dựng hệ phản chuyển tích hợp đáp ứng linh hoạt tình huống: cho hai hình chiếu đủ phản chuyển, cho hình chiếu, cho hình chiếu chưa đủ phàn chuyển thời gian phản chuyển dài nội dung nghiên cứu trình bày cơng trình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 PHƯƠNG PHÁP PHẢN CHUYỂN LINH HOẠT ĐỀ XUẤT 2.1 Cơ sở phương pháp phản chuyển dựa mơ hình B-Rep điển hình Phương pháp phản chuyển tổng hợp sau [9] kết hợp phát triển phương pháp phản chuyển đa diện Wesley Yan với phương pháp phản chuyển đối tượng có mặt cong Sakurai Gọi f hàm ánh xạ từ đối tượng O tới hình chiếu Ps, đặt Ps = f(O) Sự phản chuyển mơ hình 3D tìm ánh xạ ngược f-1 mà: O* = f (Ps), O* mơ hình vật thể rắn 3D đối tượng O f-1 phân tích năm chức sau: (1) f-1(Ps) = fSL(fBL(fFA(fED(fVR(Ps))))) Trong đó: fVR hàm ánh xạ từ đỉnh 2D Ps đến đỉnh 3D, fED hàm ánh xạ từ đỉnh 3D đến cạnh 3D, fFA hàm ánh xạ tới mặt, fBL hàm ánh xạ từ mặt đến khối ứng viên, fSL hàm ánh xạ đến mơ hình vật rắn Trong hàm ánh xạ, quy tắc với số ràng buộc áp vào đối tượng mức thấp để tạo đối tượng mức cao loại trừ phần tử “ma” Hình Các bước phương pháp phản chuyển mơ hình 3D dựa B-Rep điển hình [9] Hình bước phương pháp tự động phản chuyển mô hình 3D dựa B-Rep điển hình Phương pháp bao gồm tám bước Những bước hình thành đỉnh giả định, hình thành cạnh giả định, tạo mặt, tạo khối giả định đưa định Những bước tương ứng với hàm ánh xạ Khi hai cạnh giao nhau, chúng bị phân chia thành bốn cạnh bước phân chia cạnh Nếu hai mặt giao nhau, chúng bị phân thành bốn mặt bước chèn cạnh cắt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.2 Phương pháp phản chuyển linh hoạt đề xuất Thuật toán hệ phản chuyển linh hoạt đề xuất hình 2: Hình Sơ đồ khối thuật toán hệ phản chuyển linh hoạt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Diễn giải phương pháp thuật toán: {V} tập đỉnh (Vertex); {E} tập cạnh (Edge); {F} tập mặt (Face); view1, view2 view3 ba hình chiếu đứng, bằng, cạnh Từ sở liệu 2D tạo từ File vẽ theo chuẩn DXF, tìm mơ hình khung dây giả định bao gồm tập đỉnh {Vgđ}, cạnh {Egđ} giả định, đối tượng thoả mãn điều kiện chiếu sai Trong báo khoa học quốc tế đối tượng sai mơ hình giả định gọi đối tượng “ma” (ghost), đầu vào trình phản chuyển hai hình chiếu số lượng đối tượng “ma” nhiều Chi tiết vấn đề tổ chức sở liệu, tạo tập đỉnh, cạnh giả định trình bày [4], tạo mặt giả định {Fgđ} trình bày tài liệu [5] {{Vgđ},{Egđ},{Fgđ}}2 tập giả định tạo từ hình chiếu đứng {{Vgđ},{Egđ}}3 hình chiếu cạnh tính tốn tập giả định tạo từ hình chiếu đứng {{Vgđ},{Egđ},{Fgđ}}3* tập giả định tạo từ hình chiếu đứng và hình chiếu cạnh xố nét sai hình chiếu cạnh giả định tự động tạo Vịng lặp nằm góc trái hình duyệt nhị phân giả định sai mặt giả định có kết hợp với suy diễn lan toả trạng thái giả định nhằm chống “vét cạn” tổ hợp Mục đích trình duyệt loại bỏ tổ hợp giả định sai không thoả mãn điều kiện tôpô điều kiện chiếu Điều kiện số mặt giả định > 60 chạy phản chuyển cho hình chiếu nhằm chống lại tăng thời gian duyệt nhị phân giả định (thời gian trình tăng theo hàm số mũ: 2n với n số mặt giả định) Khối quản lý trạng thái lập kế hoạch duyệt nhằm chọn mặt để duyệt có mức ưu tiên cao (mức ưu tiên đánh giá lượng thơng tin thí dụ mặt chứa nhiều cạnh, mặt thấy có mức mưu tiên cao) Mâu thuẫn kiểm tra q trình duyệt chủ yếu sử dụng điều kiện tơpơ vật thể tính che khuất mặt cao xa Điều kiện cuối nhằm kiểm tra tất điều kiện: chiếu, tôpô thấy khuất cách đầy đủ trước đưa nghiệm Tính tốn hình chiếu thứ ba dựa quan hệ toạ độ 2D X,Y hình chiếu với với toạ độ 3D X,Y,Z điểm sau: Z = Node1[t][Y]– Zo (2) X = Node2[u][X] (3) Y = Yo - Node2[u][Y] (4) Z = Node3[j][Y] – Zo (5) Y = Node3[j][X] - Xmin (6) Trong đó: Node1, Node2 tập điểm hình chiếu đứng bằng, Zo = min{Node1[][Y]}, Yo = max{Node2[][Y]}, Xmin = min{Node3[][X]}; t, u, j số node hình chiếu đứng, bằng, cạnh đỉnh 3D ( xem kiểu liệu ADS_Point ngôn ngữ ADSRX tương tự mảng nhiều chiều) KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG VÀ THẢO LUẬN Phương pháp phản chuyển đề xuất sử dụng để tạo lập công cụ thực nghiệm phản chuyển chương trình 5000 dịng lệnh viết ngôn ngữ Visual C++ 6.0 kết hợp với thư viện ADSRX AutoCAD-R14 Dịch chương trình nguồn mã đích loại file ARX, tải file vào mơi trường AutoCAD-R14, AutoCAD có chức mở rộng tự động phản chuyển mơ hình Solid 3D từ hình chiếu Một máy tính có cấu hình trung bình (tốc độ 2.1 Ghz, Core i3, nhớ 2GB) sử dụng để phản chuyển tự động mẫu đại diện cho kết kiểm định phương pháp đề xuất hình hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Mẫu cho hình chiếu hình 3(a) Chương trình phản chuyển thơng báo tạo 54 đỉnh, 99 cạnh 47 mặt giả định Số lượng nghiệm thoả mãn điều kiện tô-pô 6400, số mâu thuẫn thấy khuất 5504, số nghiệm thực một, thời gian phản chuyển 0,7 giây Solid kết chuyển sang định dạng SAT nhúng vào INVENTOR để tạo lại hình chiếu hình 3(c), kết rõ độ xác mơ hình phản chuyển 3D tuyệt đối phản ánh tính tương thích mơ hình với hệ thống CAD/CAM (định dạng SAT phổ biến hệ CAD/CAM) Trong trường hợp này, số mặt