Диссертация (1095062), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Автоматизацияобработкиконтента,втомчислеповышениекоэффициента использования вычислительных ресурсов за счет автоматизациирутинных задач (сортировка материалов, управление контентом).5. Улучшение показателей основной деятельности организации в результатевнедрения данной СППР: снижение загруженности высококвалифицированногоперсонала, занятого обслуживанием виртуальной среды; сокращение сроковобучения и упрощение работы сотрудников в виртуальной среде за счет высокогоуровня ее эргономических характеристик.4.3 Система конструктивной модернизации деталей3D-принтераПринципиально новой областью применения систем поддержки принятиярешений является модификация конструкции деталей 3D-принтеров [107].
Далееприведено решение практической задачи модернизации пластиковых элементовконструкции 3D-принтеров, разрабатываемых в рамках проекта RepRap, с целью125улучшениятаких показателейкачества принтера какматериалоемкость,прочность и максимальная скорость печати.Проект RepRap (Replicating Rapid Prototyper, самовоспроизводящийсямеханизм для быстрого прототипирования) [111] был организован Британскиминженером Адрианом Боуером для конструирования и распространения3D-принтеров с открытыми спецификациями и общедоступными наработками[49]. Под самовоспроизведением понимается возможность изготовления напринтере максимально возможного количества элементов его конструкции длясборки точной копии.
Печать трехмерных объектов осуществляется методомпослойнойэкструзиифиламента(FFF,FusedFilamentFabrication),подразумевающей нанесение последовательных слоев материала в соответствии сконтурами модели-прототипа. В качестве расходных материалов чаще всеговыступают такие термопластики как ABS (АБС, акрилонитрилбутадиенстирол),PLA (полилактид), TPE (термопластичный эластомер), HIPS (полистирол).
Режеприменяются дюропластики, силиконы и другие менее доступные конечномупользователю материалы.Процесс изготовления детали состоит из трех ключевых шагов: подготовка3D-модели, слайсинг (преобразование модели в g-код для принтера) и печать.Одной из наиболее эффективных моделей 3D-принтеров, разрабатываемых врамках проекта RepRap, является модель Prusa, представленная в нескольких«поколениях». Классическая модификация Prusa i2 имеет форму треугольнойпризмы и состоит приблизительно из 40 пластиковых деталей, количествокоторых незначительно варьируется в зависимости от реализации.Без учета электроники и шаговых электродвигателей в данной моделииспользуются следующие обще конструкционные детали: стандартные резьбовыешпильки, подшипники, зубчатые ремни, крепеж.
Рама принтера состоит изрезьбовых шпилек, для крепления которых используются печатаемые детали.Не смотря на широкую популярность принтера Prusa, в настоящее времябольшинство его деталей имеет существенные недостатки: неоправданно126высокую материалоемкость и недостаточную прочность. Таким образом, важнымнаправлениемразработокданноймодели3D-принтераявляетсясовершенствование печатаемых элементов его конструкции по двум даннымпараметрам.В связи с этим существует необходимость в разработкемодернизированных деталей с улучшенными характеристиками.В качестве инструмента моделирования релевантных конструктивныхрешений применяется описанный в главе 2 нейроэволюционный метод.Целесообразность использования нейроэволюции для модификации элементовконструкции3D-принтераобуславливается,во-первых,тем,чтонейроэволюционные методы демонстрируют высокие показатели качества всистемах оптимизации, оперирующих неполными, трудноформализуемыми инеточными данными.
Во-вторых, данные методы не требуют ресурсоемкихрасчетов и описания физических характеристик оптимизируемой системы [2, 3].Задача формулируется следующим образом. Максимизация прочностидетали при ограничениях на ее материалоемкость и отсутствии поддержки(конструкции для предотвращения деформации во время печати стенок детали,имеющих угол наклона более 70°): = max → ≤ ,{ = 0(4.10)где max – максимальная скорость печати периметров объекта с использованиемпринтера, в конструкцию которого включена модифицируемая деталь; – материалоемкость модифицированной детали; – материалоемкость исходной детали; – материалоемкость поддержки.Критериями для оценки качества модифицированных деталей являютсяматериалоемкость и прочность.
Материалоемкость детали напрямую зависит от ееобъема. Она измеряется в метрах расходом на изготовление детали методом FFFфиламента заданного диаметра.127При прочих равных условиях прочность конструкции принтера зависит отконфигурации деталей, используемых в качестве крепежных узлов. Основнымпоказателем качества детали является жесткость: чем выше жесткость, темменьшимдеформациямподвергаетсяконструкцияпринтеравпроцессеэксплуатации. Как следствие, снижаются вибрации рамы и погрешности припечати объектов. Таким образом, одним из общепринятых способов оценкипрочности детали является косвенная оценка через параметр max .Процесс нейроэволюционного поиска рациональной конфигурации деталисостоит из четырех основных этапов:1. Подготовка трехмерной модели детали, о модификации которой былопринято решение.
Конвертирование модели в представление, подходящее длянейросетевой обработки [4].2. Этап нейроэволюции. Создание ИНС, приспособленной для решениязадачи обработки пространственных объектов. На вход ИНС поступает векторзначений, полученных путем конвертирования модели детали в пространственноепредставление для нейросетевой обработки. На выходе ИНС формируетсямодифицированное пространственное представление.3. Этапактивизацияконструктивнойнаиболеемодификацииприспособленнойдетали:ИНСпоследовательнаяпространственнымипредставлениями модифицируемых деталей и обработка сгенерированного ИНСрезультата.4. Постобработка и проверка качества детали.
Приведение выходноговектора ИНС к формату, пригодному для печати (экспорт результата в формат stl).Проверка качества полученной детали и, при необходимости, распечатываниеметодом FFF.1. Подготовка 3D-моделей деталей. На данном этапе подготавливаются3D-модели деталей в формате stl. Далее приведен процесс модификации трехважных элементов принтера Prusa i2:A. Скоба (крепление) мотора оси X (X-motor bracket).128B. Держатель направляющей оси X (X-end idler).C.
Скоба (крепление) мотора оси Z (Z-motor mount).На рисунке 4.7 показано расположение деталей A, B и C в конструкциипринтера.Детали A и B составляют две соединенные направляющими полуосновы осиX, перемещающиеся на линейных подшипниках вдоль оси Z. Деталь A служатдля крепления мотора, деталь B – для крепления натяжного шкива. На детали A иB приходятся основные вибрационные нагрузки при перемещении каретки сэкструдером. Детали C являются парными основаниями для крепления двухсинхронно работающих Z-моторов, отвечающих за вертикальное перемещениеэкструдера.Рисунок 4.7 – Конструктивные элементы принтера Prusa i2Дляконвертирования3D-моделивпредставлениедляобработкинейросетью необходимо выбрать подходящий вид модели пространственногообъекта. Представление детали должно корректно и с необходимой точностьюпередавать ее структуру при невысоких затратах вычислительных ресурсов. Дляобоснованиявыборапредставленияследуетпривестикраткийобзор129математических моделей трехмерных объектов.
Он был составлен на основелогически непротиворечивых признаков представления трехмерных объектов:топологии, формы описания и степени описывающей объект функции. Приклассификации трехмерных объектов по топологическим свойствам моделиподразделяются на точечные, твердотельные, полигональные и каркасные [96].Точечная модель содержит информацию только о координатах объекта ииспользуется исключительно для задания месторасположения.
В связи с этим вкачестве представления деталей для ИНС не рассматривается.Твердотельная модель представляет объект в виде множества всех точекобъема, занимаемого им в пространстве. Она оперирует объектами каксплошными телами. К недостаткам модели относятся высокое потреблениевычислительных ресурсов и отсутствие данных о топологии объекта, наосновании чего можно сделать вывод, что твердотельная модель также неподходит для представления деталей.Полигональная модель содержит информацию обобъектев видесовокупности точек его поверхности без учета внутренних точек. Такаяполигональная сетка чаще других моделей применяется в компьютерной графике.Иерархическое описание полигональной модели включает три списка, хранящихсоответственно вершины, ребра и полигоны трехмерного объекта. На нижнемуровне иерархии находится список вершин V: = {1 , … , , … , } ,(4.11)где = ( , , ) − пространственные координаты вершины;N – количество вершин объекта.На среднем уровне иерархии хранится список ребер E: = {1 , … , , … , } ,(4.12)∗∗где = (1, 2) – пара указателей на вершины ребра;M – количество ребер объекта.На верхнем уровне иерархии содержится список полигонов P: = {1 , … , , … , } ,(4.13)130∗∗где = (1, … , ) – множество ссылок на ребра полигона;L – количество ребер (как правило L=3 или L=4);R – количество полигонов, из которых состоит объект.Полигональная модель сложных поверхностей требует большого числаполигонов и поэтому довольно ресурсоемка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
