Некоторые вопросы геометрического моделирования в проектировании изделий легкой промышленности

Современное инженерное проектирование промышленных изделий представляет собой математически и логически обоснованный процесс создания изделия, состоящий из трех основных этапов: проектирования, конструкторско-технологической подготовки производства и технологического процесса изготовления. Поддержку этому процессу на всех стадиях проектирования обеспечивают системы автоматизированного проектирования различных промышленных изделий и автоматизации управления [1].

В свою очередь, процессы автоматизированного проектирования и производства изделий сложных криволинейных форм, к которым относятся и изделия легкой промышленности, основаны на геометрическом моделировании. Ведь, как известно, геометрическое моделирование – это создание геометрических моделей и оперирование ими в процессе синтеза геометрии проектируемых изделий в автоматизированных системах.

Изучение направлений и возможностей автоматизации задач проектирования, разработки и внедрения различных изделий в легкой промышленности позволяет сделать вывод о необходимости разработки методов и программных средств автоматизированного анализа и синтеза новых геометрических моделей на основе достижений в области геометрического моделирования и структурно-логического анализа [1].

Это необходимо для теоретического обоснования последующего внедрения в производство новых способов проектирования изделий легкой промышленности и оптимизации проектирования и изготовления изделий по традиционным методикам с учетом новаций в областях материаловедения и машиностроения легкой промышленности [2].

Если ранее решение задач проектирования различных промышленных изделий так или иначе в основном было сосредоточено на исследовании и моделировании формы объектов [3], то область разработок на основе инженерного геометрического моделирования значительно расширилась, и в настоящее время в развитии процессов их автоматизации выделяют два направления: предметное и расчетное геометрическое моделирование [4].

В предметном моделировании оперируют информацией о форме, размерах и структуре существующего или проектируемого объекта – промышленного изделия. Расчетное модели- рование используется для геометрического представления и расчета тех или иных явлений или процессов.

В легкой промышленности при определенном преобладании предметного моделирования решаются задачи как расчетного, так и объектного геометрического проектирования (рис. 1).

Любое промышленное производство, связанное с конструированием объемных форм изделий, тесно взаимосвязано с формообразованием промышленного объекта, т.е. с изучением и всесторонним описанием его формы для последующего практического воплощения. Первое направление геометрического моделирования как раз и включает подобные процессы моделирования объектов в двумерном и трехмерном пространстве при разработке так называемых предметных моделей. Такие модели так или иначе связаны с разработкой проектно-конструкторской и технологической документации и позволяют проектировать изделия с наименьшими затратами как при проектировании, так и при производстве.

Задачи геометрического моделирования в проектировании изделий легкой промышленности

Объекты проектирования

Задачи

Средства достижения

Исходная форма объекта

Изучение, сканирование и оцифровка формы объекта

Системы технического зрения

Компьютерная модель объекта

Разработка виртуальной и математической моделей объекта

Предметное геометрическое моделирование

Разработка новой или модифицированной модели объекта

Изучение и математическое обоснование формы/ поверхности объекта

Технология сборки объекта из плоских шаблонов объемной формы

Готовое изделие

Раскраивание шаблонов деталей изделия из плоского материала, сборка изделия

Изготовление трехмерных оболочек внешней формы изделий

Рисунок

Плоские шаблоны формы

Развертывание на плоскость поверхности формы виртуальной модели объекта для получения шаблонов деталей

Методы бесшовного/ малошовного проектирования формы

Способы построения разверток, раскраивания

Кроме того, в предметном геометрическом моделировании выделяют системы рендеринга - специального геометрического моделирования, предназначенные для создания высококачественных фотореалистичных изображений, видеовизуализации и других подобных задач графического дизайна. В легкой промышленности данные системы в той или иной степени могут быть востребованы при решении задач художественного проектирования изделий, но в круг задач математического моделирования, необходимого для инженерного проектирования промышленных изделий, очевидно, они не входят. На стадии разработки конструкции изделия необходимы инженерный расчет и математическое обоснование проектируемой формы объекта.

Второе направление развития средств автоматизации геометрического моделирования включает процессы создания моделей многомерных объектов в виде некоторой геометрической машины, разделяющей геометрические данные на входные и выходные потоки [3].

Подобные модели обычно используются для геометрического представления и расчета различных явлений и процессов. Здесь область геометрического моделирования значительно шире предметной и менее исследована по сравнению с указанной. Данная область автоматизации затрагивает процессы предпроектной и проектной подготовки изделий, а также охватывает процессы оптимизационного моделирования уже существующих традиционных процессов, технологий и технических средств производства, вопросы модернизации существующих видов оборудования, технологической оснастки и т.д., а также процессы создания новых видов изделий, оборудования для их производства и т.п. [3]

Очевидно, что выделенные подобным образом в промышленном проектировании изделий сложных форм направления автоматизации задач геометрического моделирования взаимосвязаны. Решение задач в одной области влечет за собой необходимость соответствующих исследований и корректировки в другой, и наоборот.

В существующих традиционных системах разработки и создания изделий морфологические этапы проектирования трехмерной формы и получения их отображения на плоскость, т.е. этапа развертывания формы на плоскость и, наоборот, последующей сборки трехмерной формы из полученных плоских шаблонов, исследованы с точки зрения геометрии достаточно давно и полно. В силу этого решение задач как предметного, так и соответствующего расчетного геометрического моделирования может быть осуществлено только с точки зрения оптимизации существующих операций, приемов и способов проектирования с использованием многомерного конструктивного геометрического моделирования.

Интересным с точки зрения геометрии в традиционном проектировании и производстве изделий легкой промышленности является проведение исследования физикомеханических свойств не только материалов, но и изделий полностью в виртуальном трехмерном пространстве. К одному из подобных видов направлений можно отнести изучение динамических свойств системы «человек-одежда» непосредственно на трехмерной модели изделия [6], ранее проводившееся на физической модели/макете изделия. Деформационные свойства материалов и деформации материала на отдельных участках деталей конструкции изделий легкой промышленности, конкретно швейных изделий, оказывают большое влияние на геометрические свойства изделий [6], а следовательно, на качество выпускаемой продукции. Поэтому подобное исследование имеет немаловажное значение для проектирования и производства высококачественных изделий с сокращением времени проектирования.

Новые возможности в конструктивном геометрическом моделировании открывает появление новых методик в направлении бесшовного / малошовного проектирования оболочек цельно-плетеных / цельнотканых изделий с мультиаксиальной структурой [5].

В свою очередь, это влечет за собой необходимость проведения новых видов исследований как в легкой промышленности, так и в других отраслях промышленного производства, с похожей морфологией и спецификой производства изделий. Здесь открываются возможности как в направлении проектирования форм новых видов одежды (т.е. предметном геометрическом моделировании изделий индустрии моды), так и в моделировании процессов разработки, создания и внедрения в производство изделий без швов и /или с минимальным ко- личеством соединений / стыков и сложной пространственной внутренней структурой (т.е. в расчетном геометрическом моделировании).

Особенностью указанного направления проектирования изделий в легкой промышленности – проектирования и создания малошовных мультиаксиальных оболочек, является то, что процессы расчета формы и структуры изделий выполняются непосредственно в трехмерном пространстве, без перехода к двухмерным разверткам [5].

Это переводит область проектирования в область полного виртуального проектирования, что, в свою очередь, приводит, с одной стороны, к исчезновению отдельных технологических задач, как то процессов раскройного и подготовительного производств, а с другой – к возникновению принципиально новых технических и технологических задач и операций, ранее не стоящих перед проектировщиками.

Одной из задач, возникающих при трехмерном проектировании бесшовных оболочек, является геометрическое изучение морфологических возможностей, которые могут быть изготовлены с малым количеством швом или вообще без швов. На данном этапе развития указанных технологий применительно к изготовлению швейных изделий, конкретно одежды, морфология представленных изготовленных изделий [5] пока ограничена трубчатыми формами. При этом практически не изучены возможности проектирования и изготовления более сложных изогнутых, а также сочлененных форм. Для обуви, в силу конструктивных и технологических особенностей производства, указанные трубчатые формы имеют место, что делает данный способ более перспективным как с точки зрения производства, так и проведения сопутствующих исследований.

К другим видам задач исследования последнего направления – проектирования триак-сиальных/ мультиаксиальных бесшовных оболочек, можно отнести изучение физикомеханических свойств их структур. Для изготовления подобных оболочек могут быть использованы различные виды исходных материалов (как то волокон для ткачества, шнуров для плетения и т.д.), соответственно и различное оборудование, что влияет на морфологию и геометрию проектируемых изделий и, в свою очередь, требует соответствующих исследований в области инженерной геометрии.

Определенный интерес также представляет проектирование многослойных бесшовных / малошовных оболочек с различной толщиной, с различным составом материалов на каждом слое проектируемой оболочки. Последовательное изучение подобных видов производства и их геометрическое обоснование открывают не только новые возможности в производстве новых видов изделий с новыми свойствами, но и развитие геометрического моделирования и структуры тканых/плетеных оболочек, и работы ткацкого / плетельного оборудования для их производства, и других областей их возможного приложения в легкой промышленности, и не только.

Таким образом, исследование процессов проектирования и разработки изделий сложных структур и форм методами геометрического моделирования позволяет теоретически обосновать и математически оптимизировать разработку и внедрение в производство изделий в легкой промышленности как по традиционным, так и по новым технологиям проектирования и производства.