АНАЛИЗ МАНИПУЛЯТОРОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Журавлева Л.В.1, Захарова А.С.2, Корчагин А.И.3, Марикова Е.А.4, Узеньков Д.А.5
1Кандидат технических наук, доцент, 2,3,4,5Бакалавр,
1,2,3,4,5Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана
АНАЛИЗ МАНИПУЛЯТОРОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Аннотация
В статье рассмотрены наиболее популярные программные продукты, используемые для решения задач пространственного проектирования изделий электронной техники (ИЭТ) различной сложности и технологического оборудования для их сборки. По результатам анализа характеристик систем автоматизированного проектирования (САПР) предложено наиболее приемлемое программное обеспечение (ПО) для проектирования электронных макетов AutodeskFusion 360. Опыт проектирования электронных макетов показал, что для более детальной проработки объектов пространственного проектирования с использованием AutodeskFusion 360 в качестве координатного устройства ввода графической информации и работы с графическим интерфейсом программ целесообразно пользоваться манипулятором типа - «мышь», а не сенсорными средствами ввода данных.
Ключевые слова: САПР, манипулятор, проектирование.
Zhuravleva L.V.1, Zakharova A.S.2, Korchagin A.I.3, Marikova E.A.4, Uzenkov D.A.5
1 PhD in Engineering, Associate professor, 2,3,4,5Bachelor,
1,2,3,4,5Bauman Moscow State Technical University
ANALYSIS OF MANIPULATORS FOR SOLVING PROBLEMS OF SPATIAL DESIGN
Abstract
The article considers the most popular software products used aimed to solve the problems of spatial design of electronic equipment (EE) of various complexity and technological equipment for their assembly. According to the results of the analysis of the characteristics of CAD systems, the most suitable software for designing electronic models of was proposed – AutodeskFusion 360. The designing experience of electronic models showed that for a more detailed study of objects of spatial
Keywords: CAD, manipulator, design.
ВведениеШирокое распространение средств информационного сопровождения жизненного цикла изделий позволило формализовать и автоматизировать процессы пространственного проектирования объектов различного назначения и сложности.
Использование объединённой компьютерной системы, состоящей из инструментов моделирования, 3D-визуализации, аналитики и совместной работы для одновременного создания определенных продуктов и производственного процесса, способствовало развитию цифрового производства [1, С. 23-34], [2, С. 162-179], [3, С. 189-192]. Цифровое производство развивалось от производственных инициатив, таких как интегральные методы обеспечения технологичности, компьютерное интегрированное производство, гибкое производство и бережливое производство, которые подчеркивают необходимость совместной разработки продукта и процесса, международная инициатива "Индустрия 4.0" и т.п. [4, С. 19-24], [5, С. 65-68], [6, С.23-27], [7, С. 62-64].
Многие долгосрочные выгоды от управления жизненным циклом продукта (ЖЦП) не могут быть достигнуты без всеобъемлющей цифровой стратегии производства. Цифровое производство является ключевым моментом интеграции между ЖЦП и цехами и оборудованием, что позволяет обмениваться информацией о продуктах между проектной и производственной группами. Это позволяет компаниям-производителям достигать целевых показателей времени выхода на рынок и объема, а также осуществлять экономию средств за счет сокращения дорогостоящих изменений в нисходящем потоке [4, С. 19-24], [5, С. 65-68], [6, С. 23-27], [7, С. 62-64].
Преимуществами цифрового производства является повышение производительности труда при планировании за счет использования следующих средств:
- просмотр и обработка информации об объектах проектирования, технологических операциях, предприятиях и ресурсах с помощью САПР с последовательным и комплексным подходом к разработке продукции;
- оптимизация отдельных этапов производства в управляемой среде для создания гибких рабочих инструкций, способных отображать информацию о 2D / 3D деталях, а также инструкции по механической обработке и оснастки;
- снижение затрат на ввод в эксплуатацию посредством моделирования, фактически проверяя работоспособность и программы автоматизации;
- быстрое создание заводских моделей и обеспечение их оптимальной компоновки, расхода материала и пропускной способности до наращивания мощности;
- обмен качественными данными путем создания полных, проверенных CAD-ориентированных программ проверки оборудования для координирующих измерительных машин и станков с числовым программным управлением (ЧПУ);
- выполнение производственных процессов с доступом в реальном времени к данным жизненного цикла.
Для обеспечения успешного и бесперебойного функционирования цифрового производства используются различные инструментальные среды автоматизированного проектирования: AutodeskFusion 360, Компас 3D, SolidWorks 2018, T-FLEX CAD, IRONCAD 2018 и т.п. [8, С. 44-47].
Краткое описание программных продуктов для пространственного проектирования представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Краткое описание программных продуктов для пространственного проектирования
№ п/п | Программы | Краткое описание |
1 | Autodesk Fusion 360 | Облачный инструмент, разработанный компанией Autodesk для промышленного дизайна и машиностроительного проектирования — симбиоз Inventor, Simulation, Alias и других продуктов. |
2 | SolidWorks 2018 | Популярнейший инструмент для автоматизированного проектирования, автоматизации работ и технологической подготовки производства. Используется для проектирования сложных изделий разного назначения. Также возможно редактирование файлов сторонних САПР. |
3 | Компас 3D v17 | Система автоматизированного проектирования, разрабатываемая Российской компанией. Позволяет оформлять документация в соответствии со стандартом ЕСКД. САПР позволяет создавать трехмерные ассоциативные модели, генерировать техническую и конструкторскую документацию. |
4 | T-FLEX CAD | САПР для параметрического проектирования и черчения, позволяет создавать программы для управления станками с ЧПУ, а также работать с конструкторской документацией. |
5 | IRONCAD 2018 | Профессиональная система для трехмерного моделирования и двухмерного проектирования, последнего поколения. В программе можно использовать как параметрическое проектирования, так и инновационный метод прямого проектирования. |
Сравнительные характеристики САПР для пространственного проектирования представлены в таблице 2.
Для стабильного функционирования САПР Fusion 360 требуется портативный компьютер, обладающий необходимыми системными требованиями – 4 ГБ и более оперативной памяти, 512 МБ и более графической памяти GDDR, а также не менее 3 ГБ свободного места на диске под управлением операционных систем Windows 7 с пакетом обновления SP1, 8.1 или 10 (только 64-разрядные) или macOSSierra 10.13, ElCapitan. К тому же ПК должен иметь ADSL или более скоростное подключение к интернету, так как Fusion 360 является облачной средой моделирования [2, С. 162-179].
Таблица 2 – Сравнительные характеристики САПР для пространственного проектирования
Для пространственного проектирования электронных макетов технологического оборудования для сборки ячеек электронных использовалась САПР Fusion 360. Для увеличения объективности анализа проводились аналогичные действия в САПР Solid Works 2018, Компас 3D v17.
Оптимальное управление продуктами компаний Autodesk, АСКОН и Dassault Systemes подразумевает использование средств «графического» управления, к которым относятся координатные устройства ввода графической информации и работы с графическим интерфейсом программ - «манипуляторы». Виды манипуляторов представлены на рисунке 1. Современный рынок предлагает большое количество видов конструктивных решений устройств ввода графической информации. Каждый вид обладает своими уникальными характеристиками, позволяющими успешно применять его в той или иной ситуации. Средства реализации Fusion 360 представлены на рисунке 2.
Рис. 1 – Виды манипуляторов
Рис. 2 – Средства реализации Fusion 360
Ввод графической информации при проектировании электронных макетов различных объектов осуществляется с помощью устройств – манипуляторов, которые позволяют указывать место ввода данных на экране монитора.
Несмотря на большое разнообразие вариантов реализации устройств ввода графической информации в САПР, обеспечивающих рост уровня технологий и производительности в области пространственного проектирования, функциональность и другие показатели устройств – «манипуляторов» за последние годы не увеличились.
При пространственном проектировании ИЭТ возникает проблема выбора способа ввода графической информации. Неудачный подбор устройства ведёт не только к снижению производительности процесса проектирования, но и может не обеспечить качество электронного макета. Это происходит за счет невозможности полностью использовать быстродействие САПР и обеспечивать разработчику повышенную скорость работы.
Клавиатура - неотъемлемая часть компьютера, может быть, как встроенной, так и подключаться периферийно. Переносная клавиатура менее удобна в силу габаритов. Проблема её использования в качестве манипулятора для пространственного проектирования ИЭТ состоит в том, что задавать координаты курсора необходимо точно, вручную, рассчитывая и вводя значение. Удобство использования клавиатуры заключается в наличии горячих клавиш, при помощи которых появляется возможность вызывать функции быстрее, нежели при помощи компьютерной «мыши», посредством контекстного меню [9]. Виды клавиатур представлены на рисунке 3.
Рис. 3 – Обобщенная классификация клавиатур
Тачпад – сенсорная панель обладает всеми способностями стандартной компьютерной мыши, имея при этом расширенный функционал. Посредством касаний и жестов задаётся местоположение курсора. Жесты применяются аналогично горячим клавишам клавиатуры: изменение масштаба, поворот моделей. Удобство проявляется также в возможности встроить тачпад в клавиатуру портативного компьютера. Тем не менее, периферийные тачпады занимают меньше места, в отличие от компьютерных «мышей», при этом обладая более удобным форм-фактором. Основным недостатком подобных устройств является пониженная точность размещения курсора за счёт площади касания подушечкой пальца, а также аппаратными недостатками тачпадов [10, С. 1-15]. Этот недостаток является решающим при необходимости проектирования объектов с более детальной прорисовкой. Виды тачпадов представлены на рисунке 4.
Рис. 4 – Виды тачпадов
Тачскрин – сенсорный экран, полностью повторяющий функционал тачпада, работая с жестами и касаниями подушечек пальцев, но реагирующий на тактильное воздействие. Панель расположена непосредственно над матрицей дисплея. Подобный способ взаимодействия с САПР может приводить к сложностям при использовании сенсорных панелей диагональю менее 20 дюймов, так как палец закрывает обзор модели. Следовательно, в случае комфортного использования сенсорной панели при пространственном проектировании приходится жертвовать портативностью. Тачскрин представлен на рисунке 5.
Рис. 5 – Тачскрин
Компьютерная «мышь» – механический манипулятор, преобразующий механическое движение в движение курсора на экране за счет перемещения на плоскости подвижного сенсорного шара. С помощью «мыши» обеспечивается взаимодействие пользователя с интерфейсом программы САПР. Качество «мыши» определяется ее разрешающей способностью, которая определяет точность передвижения ее по экрану и измеряется числом точек на дюйм (dpi – dot per inch). DPI для устройств среднего класса – 400 – 800 dpi. Обобщенная классификация манипуляторов типа «мышь» представлена на рисунке 6.
Рис. 6 – Обобщенная классификация манипуляторов «мышь»
Клавиши и колёсико компьютерной «мыши» вызывают определённые действия, например: активация указанного объекта, вызов контекстного меню. Наиболее используемые — оптические светодиодные и лазерные «мыши» в силу достижения минимума соотношения цены и качества.
Трекбол отличается от «мыши» тем, что подвижный сенсорный шар, встроенный в верхнюю часть корпуса, пользователь вращает рукой, перемещая курсор. Онболее функционален за счёт подвижного сенсорного шара, передающего физическое воздействие в движение курсора, и чаще всего используются взамен «мыши», особенно для работы с графикой [11].
Гироскопические «мыши» включают в себя гироскоп, который распознает движение не только поверхности, но и в пространстве. Ею можно управлять в воздухе движением кисти руки. Они обладают низкой точностью, но позволяют перемещать устройства ввода в трёх плоскостях. Их используют для управления «умными» телевизорами.
Индукционные мыши - графические планшеты используются дизайнерами для прорисовки электронных рисунков, но не представляют ценности при пространственном проектировании.
В настоящее время компьютерные «мыши» являются самым распространенным средством взаимодействия пользователя с интерфейсом потому, что они являются самым практичным, универсальным, долговечным и дешевым устройством ввода информации [12], [13], [14, С. 18-25]. При том, что на рынке долгое время присутствуют принципиально технологически более развитые устройства, САПР разрабатываются с расчётом под компьютерную «мышь» [15, С. 107-111], [16, С. 67-72].
В процессе разработки электронных макетов технологического оборудования для сборки ИЭТ использовались различные средства ввода графической информации. В результате было практически установлено, что использование сенсорных устройств ввода не позволяет визуализировать мелкие детали оборудования (рис. 7а). С помощью компьютерной «мыши» можно получать электронные макеты с детальной прорисовкой всех деталей установок (рис.7б).
Фрагменты электронных макетов термошкафов для сушки ИЭТ представлены на рисунке 7.
Рис. 7 – Фрагменты электронных макетов термошкафов для сушки ИЭТ
а – с использованием сенсорных устройств ввода; б – с использованием компьютерной «мыши»
Вопреки тому, что в настоящее время наблюдается тенденция производства большого количества устройств, при помощи которых возможна процедура ввода информации (данных) и которые, благодаря своему новшеству и усовершенствованию, способны отодвинуть на второй план такие всем привычные манипуляторы как "мышь", тем не менее, такое устройство по-прежнему является незаменимым и простым в использовании при пространственном проектировании ИЭТ.
Список литературы / References
- Арабов Д. И. Концепция цифрового инструментального производства (FAB LAB) для прототипирования изделий электронной техники / Д. И. Арабов, А. И. Власов, В. Н. Гриднев и др. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 5-3 (47). – С. 23-34.
- Арабов Д. И. FAB-LAB-технологии быстрого прототипирования изделий электронной техники / Д. И. Арабов, А. И. Власов, В. Н. Гриднев и др. // Современные научные исследования: методология, теория, практика материалы II Международной научно-практической конференции. Центр содействия развитию научных исследований. – 2014. – С. 162-179.
- Арабов Д. И. Комплексное макетирование узлов вычислительной техники с использованием инфраструктуры цифрового производства (FAB-LAB) в условиях сквозного обеспечения качества / Д. И. Арабов, А. Ю. Верясова, В. Н. Гриднев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. – 2016. – № 1. – С. 189-192.
- Власов А. И. Системный анализ "бережливого производства" инструментами визуального моделирования / А. И. Власов, Ю. М. Ганев, А. А. Карпунин // Информационные технологии в проектировании и производстве. – 2015. – № 4 (160). – С. 19-24.
- Власов А. И. Система 5S-технология создания эффективного рабочего места в концепции «Бережливого производства» / А. И. Власов, Ю. М. Ганев, А. А. Карпунин // Информационные технологии в проектировании и производстве. – 2016. – № 1 (161). – С. 65-68.
- Власов А. И. Картирование потока создания ценностей в концепции «Бережливого производства» / А. И. Власов, Ю. М. Ганев, А. А. Карпунин // Информационные технологии в проектировании и производстве. – 2016. – № 2 (162). – С. 23-27.
- Тупоршин А. Н. Экспертное мнение. Цифровое производство в России – новые приоритеты [Электронный ресурс] / А. Н. Тупоршин // Альманах «Управление производством». – 2017. – № 2 (2). – С. 62-64. – URL: http://www.up-pro.ru/library/information_systems/production/cyfra-russia.html/ (дата обращения: 22.12.17)
- Сидорова М. Н. Системы автоматизированного проектирования: обзор и анализ / М. Н. Сидорова // Вестник образовательного консорциума Среднерусский университет. Информационные технологии. – 2017. – №1 (9). – С. 44-47.
- Сычев И. А. 12 эпизодов из истории клавиатуры [Электронный ресурс] / И. А. Сычев // Geektimes. – 2014. – URL: https://geektimes.ru/post/240688/ (дата обращения: 22.12.17)
- Белокопытов А. И. Основы компьютерной технологии: учебное пособие. / А. И. Белокопытов - Смоленск: ФГОУ ВПО ССИ. - 2011. - С. 1-15.
- Климов А. П. Тачпад – что это такое [Электронный ресурс] / А. П. Климов // База знаний Composs – 2012. – URL: http://composs.ru/tachpad-chto-eto. (дата обращения: 21.12.17)
- Паршина Л. И. Виды компьютерных мышей [Электронный ресурс] / Л. И. Паршина // ПК мой друг – 2012. – URL: https://moydrygpk.ru/texnicheskie-voprosy/vidy-kompyuternyx-myshej.html. (дата обращения: 22.12.2017)
- Ермоловский С. А. Эволюция компьютерных мышей [Электронный ресурс] / С. А. Ермоловский // Компьютерный портал F1CD.ru – 2008. – URL: http://www.f1cd.ru/input/arts/mouse_history. (дата обращения: 22.12.17)
- Арабов Д. И. Проектирование манипуляторов для формирования виртуальных изображений на материальной плоскости / Д. И. Арабов, М. А. Колесников, А. В. Юдин // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 6-2 (48). – С. 18-25.
- Власов А. И. Методы генерационного визуального синтеза технических решений в области микро- наносистем / А. И. Власов, Л. В. Журавлева, Г. Г. Тимофеев // Научное обозрение. – 2013. – № 1. – С. 107-111.
- Журавлева Л. В. Формализация информации по прототипам технологической оснастки для сборки электронной аппаратуры / Л. В. Журавлева, А. С. Лебедев // Информационные технологии в проектировании и производстве. – 2017. – № 2 (166). – С. 67-72.
Список литературы на английском языке / References in English
- Arabov D. I. Koncepciya cifrovogo instrumental'nogo proizvodstva (FAB LAB) dlya prototipirovaniya izdelij ehlektronnoj tekhniki [The concept of digital tool production (FAB LAB) for prototyping of products of the electronic equipment] / D. I. Arabov, A. I. Vlasov, V. N. Gridnev and others // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. [International research magazine] – 2016. – № 5-3 (47). – P. 23-34. [in Russian]
- Arabov D. I. FAB-LAB-tekhnologii bystrogo prototipirovaniya izdeliy elektronnoy tekhniki [FAB-LAB-technology for rapid prototyping of electronic products] / D. I. Arabov, A. I. Vlasov, V. N. Gridnev and others // Sovremennyye nauchnyye issledovaniya: metodologiya, teoriya, praktika materialy II Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Tsentr sodeystviya razvitiyu nauchnykh issledovaniy. [In the collection: Modern scientific research: methodology, theory, practice materials of the II International Scientific and Practical Conference. Center for the Promotion of Scientific Research] – 2014. – P. 162-179. [in Russian]
- Arabov D. I. Kompleksnoe maketirovanie uzlov vychislitel'noj tekhniki s ispol'zovaniem infrastruktury cifrovogo proizvodstva (FAB-LAB) v usloviyah skvoznogo obespecheniya kachestva [Complex prototyping of nodes of computer facilities with use of infrastructure of digital production (FAB-LAB) in the conditions of end-to-end quality assurance] / D. I. Arabov, A. Ju. Verjasova, V. N. Gridnev // Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma Nadezhnost' i kachestvo. [Works of the international symposium Reliability and quality] – 2016. – № 1. – P.189-192. [in Russian]
- Vlasov A. I. Sistemnyy analiz "berezhlivogo proizvodstva" instrumentami vizual'nogo modelirovaniya [System analysis of "lean production" visual modeling tools] / A. I. Vlasov, YU. M. Ganev, A. A. Karpunin // Informatsionnyye tekhnologii v proyektirovanii i proizvodstve. [Information technology in design and production.] – 2015. – № 4 (160). – P. 19-24. [in Russian]
- Vlasov A. I. Sistema 5S-tekhnologiya sozdaniya effektivnogo rabochego mesta v kontseptsii «Berezhlivogo proizvodstva» [System 5S-technology to create an effective workplace in the concept of "Lean Manufacturing"] / A. I. Vlasov, YU. M. Ganev, A. A. Karpunin // Informatsionnyye tekhnologii v proyektirovanii i proizvodstve. [Information Technologies in Design and Production.] – 2016. – № 1 (161). – P. 65-68. [in Russian]
- Vlasov A. I. Kartirovaniye potoka sozdaniya tsennostey v kontseptsii «Berezhlivogo proizvodstva» [Mapping the flow of creating values in the concept of "Lean Manufacturing"] / A. I. Vlasov, YU. M. Ganev, A. A. Karpunin // Informatsionnyye tekhnologii v proyektirovanii i proizvodstve. [Information Technologies in Design and Production.] – 2016. – № 2 (162). – P. 23-27. [in Russian]
- Tuporshin A. N. Jekspertnoe mnenie. Cifrovoe proizvodstvo v Rossii – novye prioritety [Expert opinion. Digital production in Russia - new priorities] [Electronic resource] / A. N. Tuporshin // Al'manah «Upravlenie proizvodstvom» [Almanac "Production Management"] – 2017. – № 2 (2). – P. 62-64. – URL: http://www.up-pro.ru/library/information_systems/production/cyfra-russia.html/. (accessed: 22.12.17) [in Russian]
- Sidorova M. N. Sistemy avtomatizirovannogo proyektirovaniya: obzor i analiz [Computer-aided design systems: review and analysis] / M. N. Sidorova // Vestnik obrazovatel'nogo konsortsiuma Srednerusskiy universitet. Informatsionnyye tekhnologii. [Vestnik of the educational consortium The Central Russian University. Information Technology.] – 2017. – №1 (9). – P.44-47. [in Russian]
- Sychev I. A. 12 jepizodov iz istorii klaviatury [12 moments in keyboard’s history] [Electronic resource] / I. A. Sychev // Geektimes. – 2014 – URL: https://geektimes.ru/post/240688/. (accessed: 22.12.17) [in Russian]
- Belokopytov A. I. Osnovy komp'yuternoy tekhnologii: uchebnoye posobiye. [Fundamentals of computer technology: a tutorial.] / I. Belokopytov - Smolensk: FGOU VPO SSI. – 2011. – P.1-15. [in Russian]
- Klimov A. P. Tachpad – chto jeto takoe [Touchpad – What is it] [Electronic resource] / A. P. Klimov // Baza znanij Composs [The Knowledge Base Composs]. – 2012. – URL: http://composs.ru/tachpad-chto-eto. (accessed: 21.12.17) [in Russian]
- Parshina L. I. Vidy komp'juternyh myshej [Kinds of computer mice] [Electronic resource] / L. I. Parshina // PK moj drug [PC is my friend] – 2012. – URL: https://moydrygpk.ru/texnicheskie-voprosy/vidy-kompyuternyx-myshej.html. (accessed: 22.12.2017) [in Russian]
- Ermolovskiy S. A. Jevoljucija komp'juternyh myshej [Evolution of computer mice] [Electronic resource] / S. A. Ermolovskij // Komp'juternyj portal F1CD [Hi-Tech portal F1CD] – 2008. – URL: http://www.f1cd.ru/input/arts/mouse_history. (accessed: 22.12.17) [in Russian]
- Arabov D. Proyektirovaniye manipulyatorov dlya formirovaniya virtual'nykh izobrazheniy na material'noy ploskosti [Designing manipulators for the formation of virtual images on the material plane] / D. I. Arabov, M. A. Kolesnikov, A. V. Yudin // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. [International Scientific and Research Journal.] – 2016. – № 6-2 (48). – P. 18-25. [in Russian]
- Vlasov A. Metody generatsionnogo vizual'nogo sinteza tekhnicheskikh resheniy v oblasti mikro-/nanosistem [Methods of generation of visual synthesis of technical solutions in the field of micro / nanosystems] / A. I. Vlasov, L. V. Zhuravleva, G. G. Timofeyev // Nauchnoye obozreniye. [Scientific review.] – 2013. – № 1. – P. 107-111. [in Russian]
- Zhuravleva L. Formalizatsiya informatsii po prototipam tekhnologicheskoy osnastki dlya sborki elektronnoy apparatury [Formalization of information on prototypes of technological equipment for the assembly of electronic equipment] / L. V. Zhuravleva, A. S. Lebedev // Informatsionnyye tekhnologii v proyektirovanii i proizvodstve. [Information technologies in design and production.] – 2017. – № 2 (166). – P. 67-72. [in Russian]