Понятие о компьютерной графике: геометрическое моделирование и его задачи. Cad-системы как часть САПР

 

ВВЕДЕНИЕ. В настоящее время промышленное производство, архитектура и градостроительство, геологические изыскания, управление в самом широком смысле, включая планирование и оценку эффективности боевых действий, и многое другое немыслимо без использования компьютерных технологий.

Выпускник высшего учебного заведения, получающий диплом, отвечающий российским и мировым образовательным стандартам, должен не только иметь подготовку по использованию компьютерных программ геометрического моделирования в области своей специализации, но и уверенно применять их при выполнении курсовых и дипломных работ и проектов.

1.1 Геометрическое моделирование и его задачи

 

Любые изделия в процессе производства описываются, прежде всего, геометрическими параметрами, без этого производство невозможно.

Основами для геометрического описания изделий являются: Евклидова геометрия, начертательная геометрия и проекционное черчение, а также аналитическая геометрия.

Традиционный способ геометрического моделирования состоял в применении линейки, циркуля и транспортира на чертёжной доске, объединённых в чертёжный прибор – кульман.

Использование ЭВМ позволило объединить вопросы геометрического моделирования и вычислительной геометрии с использованием векторного (аналитического) описания геометрической информации.

Многократно упростились такие вопросы как построение геометрических элементов, копирование фрагментов, редактирование графической и текстовой информации, штриховка, нанесение размеров, улучшилось качество исполняемых документов.

Важно, что внедрение компьютерного черчения практически не требует изменения традиционного подхода к проектированию.

Теоретические основы систем автоматизированного проектирования-САПР были сформулированы в 60-х, начале 70-х годов прошлого столетия.

В основу идеологии положены разнообразные математические абстрактные модели: геометрические, технологические, прочностные, аэродинамические, тепловые и др.

Отдельные программы (или модули, или системы):CAD, CAM, САЕ, TDM развивались как универсальные системы для решения задач в конкретных областях.

 

 

CAD (Computer Aided Design)- модуль компьютерного геометрического моделирования (проектирования).

СAM (Computer Aided Manufaсturing)-модуль технологической подготовки производства.

CAE (Computer Aided Engineering)-модуль компьютерного инженерного анализа.

PDM (Product Data Management)-модуль, позволяющий управлять данными о продукции на протяжении всего жизненного цикла изделия при проектировании и подготовке производства.

TDM (Technical Data Management)- модуль управления базами данных, включая документооборот конструкторской и технологической документации.

Постепенно расширяясь функционально и распространяясь на смежные области, стали формироваться объединённые системы, решающие весь спектр производственных задач, обозначаемые в соответствии с составляющими их модулями, например, CAD/CAM/CAE/PDM/TDM.

 

1.2 CAD – системы, как часть САПР

 

Структурная схема такого типа САПР представлена на рисунке 1.1.

 

 

 

Рисунок 1.1.

 

Модуль САD, или САD – система, определяет область геометрического моделирования в САПР.

 

 

1.3 Краткая характеристика, особенности CAD-систем некоторых САПР

 

Последние версии систем геометрического моделирования, создаваемые в условиях острой конкурентной борьбы, отвечают общим сформировавшимся и признанным характеристикам.

1. Все они являются прикладными программами, работающими под управлением операционной программы Windows.

2. Интерфейс систем (совокупность управляющих значков-пиктограмм, предоставляемых пользователю для работы с различными программами) согласуется с интерфейсом операционной системы и по многим параметрам является, как бы, общепринятым , во многом интуитивно понятным, имеющим развитую систему помощи и подсказки, развитую справочную систему.

3. Большинство систем располагают модулями как плоского, так и объёмного параметрического моделирования, обеспечивают ассоциативность всех геометрических элементов моделей, исполнение конструкторских документов в соответствии с требованиями ЕСКД, имеют развитые библиотеки стандартизированных изделий, УГО, позволяют создавать прикладные библиотеки, имеют встроенные языки программирования.

 

AutoCAD-одна из первых чисто графических программ, ориентированная в начале 80-х годов прошлого столетия на решение задач архитектуры и строительства.

В настоящее время это – одна из мощных CAD- программ (CAD-систем) для разработки конструкторской документации практически в любой сфере промышленного производства, имеющая множество приложений, интегрированных с ней и образующих САПР для решения задач архитектуры, строительства, производства, геоинформационных вопросов и др. В то же время, высокая степень универсальности и связанное с этим обстоятельством усложнение программы, делают её непривлекательной при решении достаточно простых задач геометрического моделирования, т.е. при использовании в качестве электронного кульмана такой мощной и дорогостоящей системы. В 2002 году появилась полностью русифицированная облегчённая версия Auto CAD LT, которая обладает всеми возможностями в области оформления двухмерных чертежей, совместима с универсальной программой и специализированными приложениями на её основе (Auto CAD LT + Electrics, Auto CAD LT + Mechanics и др.).   T-FLEX CAD-профессиональная универсальная система параметрического двухмерного и трёхмерного геометрического моделирования в интересах, прежде всего, машиностроительного производства. Система позволяет полностью решить проблемы подготовки технической документации – чертежей, схем, спецификаций и т.д. Обладая мощным параметрическим геометрическим ядром, позволяет существенно повысить скорость типового проектирования. Система позволяет создавать трёхмерные модели практически любого уровня сложности и чертежи на основе проекций трёхмерных моделей. 3D моделирование может осуществляться непосредственно как в 3D пространстве с использованием так называемого дерева построений, позволяющего контролировать операции моделирования, так и на основе данных двухмерного чертежа.   CAD-система КОМПАС-3D предназначена для создания трёхмерных параметрических моделей и сборок и последующего полуавтоматического создания их чертежей, содержащих все необходимые виды, разрезы и сечения. Имеет определённые преимущества для отечественных конструкторов. Во-первых, она русскоязычна изначально, термины и определения полностью соответствуют терминологии отечественного конструирования. Во-вторых, в системе заложено выполнение всех требований ЕСКД. В-третьих, имеется очень широкий и одновременно практически необходимый набор функций редактирования изображений. В-четвертых, система имеет модульную структуру, которая позволяет ускоренно решать специальные задачи. В-пятых, система включает прикладные библиотеки (конструкторские, справочники материалов и др.), ориентированные на отечественное производство. Так, прикладная библиотека КОМПАС- SHAFT Plus позволяет не только выполнять геометрические прочностные расчёты цилиндрических и конических зубчатых, червячных передач, но и строить их параметрические модели, из которых можно получить как обычный чертёж с таблицами параметров зубчатых колёс и изображений профилей зубьев, так и трёхмерную модель.

Прикладная библиотека ESK 5, работая в среде КОМПАС-ГРАФИКА, содержит несколько тысяч графических обозначений электрических элементов и микросхем, имеет средства для создания графических обозначений, формирования линий связей на схемах, позиционных обозначений, перечня элементов и базы данных.

 

Отечественная САПР ADEM версий 6.2, 6.2.SLT, 7 предназначена для автоматизации решения конструкторских и технологических задач производства.

Система ADEM CAD объединяет все известные методы геометрического моделирования, что позволяет сформировать конечный вид изделия и создать необходимую конструкторскую документацию. Начиная с 7-ой версии,

можно строить любые виды, разрезы и сечения без непосредственного обращения к 3D модели. Изображение стрелки вида приводит к автоматическому созданию соответствующего вида или сечения.

 

Из сравнения различных CAD – систем от предыдущей версии к последней чётко прослеживаются две довольно противоречивые закономерности в их совершенствовании:

-усложнение, универсализация, имеющая целью решение всех возможных проблем геометрического моделирования (Auto CAD – 2004);

-упрощение за счёт исключения некоторых функций, позволяющее «облегчённым» системам более эффективно и с меньшими финансовыми затратами решать специализированные задачи (Auto CAD LT).

 

1.4 Общие вопросы геометрического моделирования. Графические объекты

Рассмотрим рисунок 1.2, на котором представлены две геометрические модели и определимся с основными понятиями.

 

Рисунок 1.2

 

Обе геометрические модели выполнены на компьютере с использованием системы объёмного моделирования КОМПС-3D LT. Электронный аналог призмы записан на жёстком диске в виде набора байтов, которые объединены именем файла и его расширением, характеризующим математический метод создания модели. Результат объёмного моделирования можно оценить только по той информации, которая выводится на экран монитора или по распечатке этого изображения. В обоих случаях эта информация представляется на плоском носителе.

На рисунке 1.2, А информация представлена в виде чертежа, выполняемого на основе ортогонального проецирования, на рисунке 1.2, Б та же информация представлена как аксонометрический чертёж. Таким образом, на рисунке 1.2 представлены плоские графические геометрические

 

модели призмы с отверстием. В чём же заключается разница в создании графических моделей А и Б?

Разница заключается в МЕТОДЕ создания моделей! Рассмотрим методы создания геометрических моделей с помощью компьютерных программ.

 

1.4.1 Плоское геометрическое моделирование. Примитивы и их атрибуты

 

В вопросах геометрического моделирования можно выделить два варианта (САПР и графика, 2002 г., №1, А.Быков. «Желательное и действительное в геометрическом моделировании»).

Первый вариант характеризуется использованием геометрических примитивов, таких как отрезки, дуги, кривые.

При использовании второго варианта основными элементами являются замкнутые плоские контуры, главными операциями – булевы объединения, дополнения, пересечения.

Большинством CAD-систем используются одновременно эти два варианта геометрического моделирования.

Использование плоского моделирования не обеспечивает потребности производства там, где применяются неаналитические кривые, так называемые сплайны.

Сплайны невозможно точно описать системой линейных, угловых и дуговых размеров, поэтому в дополнении к чертежам применяются плазы и шаблоны.

Долгое время замена изделия плоскими изображениями являлась единственным способом решения задач геометрического моделирования, да и в настоящее время плоское моделирование широко используется в производстве.

 

1.4.2 Объёмное геометрическое моделирование

 

Объёмная модель однозначно определяет геометрию всей спроектированной поверхности детали. Наиболее распространённым способом образования поверхности является движение образующего плоского профиля вдоль направляющих линий или его вращение относительно оси. Объёмное геометрическое моделирование основывается на создании поверхностей, образующих тело, так называемое поверхностное моделирование, либо на создании геометрических тел – твёрдотельное моделирование.

Поверхностное моделирование строится на двух принципах:

-построение каркасных моделей поверхности;

-построение поверхности на основе многоугольных сетей.

 

Каркасная модель представляет собой скелетное описание поверхности трёхмерного тела, состоящая из точек, отрезков и кривых, описывающих рёбра тела.

Поверхностная сеть представляет собой модель поверхности тела, состоящую из плоских граней. Поскольку грани сети плоские, формирование криволинейных поверхностей производится путём их аппроксимации.

Моделирование объектов с помощью сетей применяется в случаях, когда можно игнорировать физические свойства объектов (масса, центр масс и т.п.), например, при создании топографической модели холмистой местности.

Твёрдотельное моделирование основывается на пространственных базовых элементах формы (примитивах), таких как призма, конус, сфера, цилиндр, клин, тор.

Из этих форм путём их объединения, вычитания и пересечения строятся более сложные пространственные тела.

Твёрдотельная геометрическая модель наиболее полно отражает информацию о моделируемом объекте, её легче строить и редактировать, чем поверхностные модели.

Современные САD - системы используют, как правило, оба принципа построения объёмной геометрической модели.

С модели может быть получена информация не только о координатах любой точки на поверхности, но и другая – площадь поверхности, объём, массовые и инерционные характеристики и др. На её основе можно получить плоские модели: виды, разрезы, сечения. На рисунке 1.3 представлены порядок и способы создания твёрдотельных моделей в системе КОМПАС-3D LT, распечатанные из её справочной системы.

 

 

Рисунок 1.3

 

1.5 Основные положения использования операционной программы Windows для управления графическими компьютерными программами

 

Пакеты программ геометрического моделирования, входящие в состав САПР, являются прикладными программами и работают под управлением операционной программы, установленной на компьютере, например, Windows.

Внешний вид элементов интерфейса окна после запуска программы КОМПАС-3D и открытия документа представлен на рисунке 1.4.

Окно имеет стандартные элементы управления с небольшими отличиями, назначение которых может быть установлено с помощью справочной системы программы.

 

В верхней части окна расположен заголовок, в котором отображается название и номер версии программы, тип открытого документа, полный путь и имя документа.

Сразу же под заголовком расположена строка меню.

В каждом из меню собраны связанные с ним команды, которые активизируются при открытии команды щелчком мыши на его имени.

 

 

 

Рисунок 1.4

 

Некоторые команды имеют свои собственные подменю или, так называемые, вложенные меню со своим набором команд. Некоторые из команд имеют диалоговые окна, требующие их заполнения.

Под строкой меню располагается панель управления, на которой изображаются кнопки, позволяющие обратиться к наиболее часто используемым командам, таким как: создание, открытие и сохранение файлов, печать и др.

Внизу окна могут располагаться строки текущего состояния и сообщений, в которых отображаются параметры текущего документа и сообщения, запросы системы.

 

 

Инструментальные панели содержат инструменты (наборы кнопок), сгруппированные по функциональным признакам, с помощью которых можно создавать геометрические объекты (отрезки, окружности, дуги и др.), редактировать изображения, проставлять размеры, шероховатость поверхности, вводить текст и др.

 

1.6 Использование справочной системы. Применение интерактивных графических систем для решения задач геометрического моделирования

 

Приобрести уверенные навыки по созданию и редактированию графических документов с помощью компьютерных технологий невозможно без практики.

При этом невозможно, да и нет необходимости, предварительно изучить все возможности графических программ. Большинство учебных пособий по компьютерной графике, как отечественных, так и зарубежных, построены по принципу постепенного изучения в процессе практического освоения материала.

При этом очень удобно использовать небольшими порциями разъяснения справочной системы, имеющейся по каждой компьютерной программе.

Справочная система КОМПАС выгодно отличается от справочных систем других графических компьютерных программ тем, что она изначально русифицированная, методически просто и доступно построена, содержит рекомендации по всем вопросам работы с программой.

Обращение к справочной системе в процессе работы является признаком грамотного использования компьютерных программ.

Доступ к справочной системе осуществляется через меню Справка в строке меню, которое открывается щелчком левой кнопки мыши.

Меню Справка состоит из нескольких разделов. Команда меню Содержание выводит на экран окно с содержанием справочной системы, оформленной в виде списка закрытых книг (рисунок 1.5).

 

Рисунок 1.5

Для получения справки по интересующему вопросу необходимо указать его мышью (выделить), после чего нажать кнопку Показать. Значок книги приобретает вид открытой книги, на экран выводится список вложенных разделов, оформленных в виде закрытых книг (рисунок 1.6).

 

Рисунок 1.6

Выделением нужного раздела мышью и нажатием кнопки Открыть можно получить доступ к вопросам, содержащимся в данном разделе.

 

Меню справочной системы позволяет получить информацию также по ключевым словам, по клавишам, по командам меню и панелей.

Удобной в пользовании является Объектная справка, которая позволяет получить справку по командам, кнопкам и другим объектам экрана.

После вызова команды нажатием кнопки на панели управления курсор мыши изменит внешний вид на вопросительный знак со стрелкой.

Для получения справки надо подвести курсор к интересующему объекту экрана и щёлкнуть* по нему мышью.

 

Операционная система Windows позволяет открыть одновременно несколько окон с разными программами или копиями одной программы и работать с ними в интерактивном режиме. Удобно на тексте лекции, выполненной в компьютерном варианте, расположить окно программы и выполнять действия, рассматриваемые в лекции (рисунок 1.7).

 

 

Рисунок 1.7.

 

*быстро нажать и отпустить левую кнопку мыши

 

1.7 Общие вопросы создания и редактирования графических документов (на примере КОМПАС-3D)

 

Создание графических документов предполагает их выполнение, редактирование и оформление в соответствии с требованиями ЕСКД.

Система КОМПАС-3D LT позволяет создавать графические документы трёх типов:

-чертежи;

-фрагменты;

-аксонометрические изображения.

Чертёж состоит из рамки, основной надписи (штампа), технических требований, видов, разрезов и сечений, обозначений шероховатости поверхностей. Размер чертежа ограничен установленным для него форматом.

Фрагмент представляет собой неограниченный пустой электронный, не имеющий элементов оформления лист, на котором можно чертить.

Электронные версии создаваемых чертежей хранятся на жестком диске компьютера.

Обобщённая схема разработки, редактирования и сохранения конструкторского документа представлена ниже.

 

 

СОЗДАТЬ НОВЫЙ ДОКУМЕНТ	ОТКРЫТЬ ДОКУМЕНТ
ДЕТАЛЬ, ЛИСТ, ФРАГМЕНТ

ПАРАМЕТРЫ ТЕКУЩЕГО ЛИСТА, КОМПОНОВКА

ГРАФИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ, РЕДАКТИРОВАНИЕ, ОФОРМЛЕНИЕ

СОХРАНЕНИЕ

Для того чтобы работать с документом, необходимо создать лист, разумеется, компьютерный, на котором впоследствии будет разработано его содержание, либо найти созданный ранее документ.

Ранее созданные графические документы хранятся в виде файлов на жёстком диске.

Поиск и открытие нужных файлов, выполненных с помощью графических программ, ничем не отличаются от подобной работы с документами, выполненными по другим прикладным программам, работающим под управлением операционной системы.

Этапы построения модели позволяет проследить Дерево построения. Так, например, построение модели призмы с фронтально проецирующим отверстием (рисунок 1.8) выполнено в два этапа. На первом этапе операцией выдавливания выполнено построение призмы, на втором - вырезано отверстие, также операцией выдавливания.

Современные CAD-системы позволяют на основе разработанной 3D модели построить в автоматическом режиме заготовку, представленную на рисунке 1.9.

 

 

Рисунок 1.8

 

 

Рисунок 1.9

 

Для сохранения документа (т.е. для записи в соответствующую папку на жёстком диске) необходимо задать соответствующую команду меню Файл, либо нажать кнопку Сохранить документ панели управления и заполнить последовательно появляющиеся диалоговые окна.

 

Заключение.

 

По данным кафедр графики МИИГА, МАМИ и др. применение графических систем геометрического моделирования в три – четыре раза сокращает время при выполнении чертежей. Чем сложнее чертежи, тем лучше результат.

Широкое использование, можно сказать даже определяющее, систем объёмного моделирования в современных САПР, свидетельствует об огромном экономическом эффекте от их применения при «сквозном» проектировании изделий машиностроения. Этим же объясняется и бурное развитие этих систем в настоящее время.