Компьютерное 3D конструирование изделий из базы данных комплектующих деталей и приспособлений Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДИ 37.022

Н. В. МЯСОЕДОВА В. Я. ВОЛКОВ

Омский государственный технический университет

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

КОМПЬЮТЕРНОЕ 30 КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БАЗЫ ДАННЫХ КОМПЛЕКТУЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ И ПРИСПОСОБЛЕНИЙ

На основании проведенных исследований установлены возможности и необходимость введения в курсе компьютерной графики конструирования 30 изделий как обязательного компонента для подготовки квалифицированных, грамотных специалистов инженерных специальностей.

Новое тысячелетие и технический прогресс неумолимо ведут нас к закономерному развитию мировых технологий и техники, которое характеризуется значительным увеличением количества классов и повышением сложности технических систем, возрастанию затрат на проектирование и изготовление единицы массы конструкций, продолжительности их разработки и рядом других показателей. Современный уровень развития производства требует подготовки квалифицированных, грамотных специалистов особенно в области компьютерных технологий, способных решать разнообразные и сложные конструкторские задачи, включая конструирование и моделирование объектов конкретной предметной области.

Несоответствие между сложностью современной техники и устаревшими методами проектирования и выполнения чертежей, которыми владеют выпускники инженерных специальностей вузов, с особой остротой проявилось в последние годы.

Курсы, построенные в соответствии с учебными планами специальностей, являлись стабильными и не изменялись в течение многих лет. Необходимость такой фундаментальной подготовки не ставилась под сомнение. В инженерном образовании курс графики всегда рассматривался как базовый в графической подготовке будущих специалистов. Сейчас, говоря о современной инженерной (геометрической и графической) подготовке в вузе, нельзя ограничиваться только теми знаниями и умениями, которые формируются при обучении начертательной геометрии и инженерной графике. Вместе с традиционными дисциплинами — «Начертательная геометрия» и «Инженернаяграфика» — изучение компьютерной геометрии и графики дает первый замкнутый контур геометрический и графической подготовки инженера, позволяющей ему профессионально участвовать в компьютеризации производства и общества. Прикладная геометрия и инженерная графика как основа профессиональной подготовки будущего специалиста способствует развитию технического мышления, приемов и способов чтения информации производственного характера. Причем

значение такого мышления возрастает в связи с освоением компьютерной технологии, которая берет на себя функции выполнения чертежа, усиливая ответственность инженера за проектирование и чтение информации, позволяя конструктору уделять особое внимание творческой стороне процесса проектирования, освобождая его от выполнения рутинных операций.

С развитием вычислительной техники и средств коммуникации появились новые принципы и подходы к геометрической и графической подготовке специалистов. Инженерная подготовка должна включать в себя не только базовую графическую (связанную непосредственно с выполнением и оформлением чертежей), но и подготовку инженера в области современных способов и средств проектирования на самом высоком уровне.

Программное обеспечение позволяет ускорить и облегчить выполнение множества трудоемких операций (расчеты, построение чертежей, моделирование, визуализация и др.). Владение техникой компьютерного создания чертежа и геометрической модели объекта проектирования является важнейшим звеном в подготовке инженеров любой специальности.

Быстрый рост мощности современных персональных компьютеров, удешевление и доступность высококачественной графической периферии объясняют повышенный интерес общества к компьютерной графике. Косвенным подтверждением этому является тот факт, что курс компьютерной графики становится неотъемлемой частью общеобразовательной подготовки современного инженера. Ни у кого не вызывает сомнений то, что роль компьютерной графики будет возрастать и в дальнейшем.

Немногим ранее компьютерное образование включало в себя только изучение какого-либо языка программирования и ограничивалось лишь предметом «Информатика». Но языки программирования отошли на второй план и изучаются только на соответствующих специальностях, т.е. пришло понимание того, что назначение общего курса информатики — формирование «пользовательской

культуры» студента, что совершенно естественно для современной роли компьютеров в делопроизводстве. Для общего образования этого достаточно. Если же говорить о подготовке инженеров, для которых графический язык будет доминирующим, то у таких студентов нужно формировать еще и определенную «графическую пользовательскую культуру». Эту задачу и должен выполнить вводный курс компьютерной графики.

Задачи, стоящие перед начертательной геометрией, инженерной и компьютерной графикой, объединяют общие идеи, которые заключаются в сопоставлении трехмерного объекта с его плоской проекционной моделью.

Так, начертательная геометрия отвлекается от конкретных физических объектов, а занимается абстрактными геометрическими объектами и их проекционными моделями. Основным элементом пространства принято считать точку, а все геометрические фигуры представлять как множество точек. Процесс геометрического моделирования имеет две цели: переход от реального объекта к его геометрическому представлению (описанию) и последующее проекционное моделирование, обеспечивающее передачу информации, облегчение анализа, расчета, познания изучаемого объекта.

В инженерной графике трехмерный объект — это конкретная деталь, узел, сооружение и т.д., а его проекционная модель — конкретный чертеж, как конечный продукт моделирования. Инженерная графика не только учебная дисциплина, обучающая методам изображения предметов, а язык инженерного общения и творчества. В силу центрального положения чертежа-модели понятие «инженерная графика» нередко обозначалось и обозначается термином «черчение». Но инженер должен не только претворять свом замыслы в грамотно выполненном чертеже-модели, но и «прочесть» сложную проекционную модель.

Компьютерная графика, имея близкое соприкосновение и с начертательной геометрией и с инженерной графикой, существенно отличается от них по своему внутреннему содержанию. Возможности применения для решения поставленной задачи универсального технического устройства (компьютера) в настоящее время становится приоритетным.

Компьютерная графика — это применение ЭВМ для создания, хранения и обработки моделей объектов и их изображений. Интерактивная компьютерная графика, в отличии от пассивной, дает большие возможности динамического управления содержанием изображения, его формой, размерами и цветом на экране дисплея.

Таким образом, главная цель вводного курса компьютерной графики — формирование графической культуры пользователя. Под этим понимается знание принципов работы с графикой на компьютере, основных моделей представления графической информации в компьютере, принципов функционирования графических пакетов, умение выбрать подходящий инструментарий для решения конкретной задачи и т.п. Все это необходимо для того, чтобы будущий инженер мог легко осваивать новые графические пакеты, разбивать комплексные графические проблемы на подзадачи и выбирать адекватные средства для их решения.

Введение компьютерных технологий в учебный процесс - необходимый и неизбежный прогрессивный шаг. Это сопровождается существенным изменением содержания практических занятий.

Традиционные методы решения задач уступают место компьютерным средствам обучения, применению телекоммуникационных сетей. Происходит переход от ориентации на усредненного студента к дифференцированным и индивидуальным программам.

Современный уровень программных и технических средств электронной вычислительной техники позволяет перейти от традиционные «ручных» методов конструирования к новым информационным технологиям с использованием ЭВМ. Однако в инженерной подготовке даже при ь^реходе на компьютерные технологии с использованием компьютерной графики чертеж, как основа конструирования пе устраняется, и компьютер зачастую используется просто как «электронный кульман». Это значительно облегчает подготовку конструкторских и других графических документов, связанных с изготовлением изделий, сокращает сроки их разработки с улучшением качества. Особенно это эффективно при конструировании устройств на базе параметрически управляемых унифицированных и типовых элементов. При таком подходе получение графических изображений с помощью компьютера будет рациональным, если созданный чертеж используется многократно. Это традиционный процесс конструирования, он осуществляется на основе конструкторской, нормативно-справочной и технологической документации. Такой подход значительно повышает скорость вычерчивания и улучшает его качество, однако не используются все преимущества проектирования с применением ЭВМ.

Существуют другие, более современные, подходы к автоматизации конструкторской деятельности, такие как создание трехмерных геометрических моделей проектируемых изделий. Созданная трехмерная модель конструируемой детали позволяет сократить время вычерчивания и может использоваться для многократного получения с нее необходимых изображений, видов, разрезов, а также использоваться при создании сборочного чертежа и проведения необходимых расчетов.

В основе такого подхода лежит пространственная геометрическая модель изделия, которая является более наглядным способом представления оригинала и более мощным и удобным инструментом для решения геометрических задач. Необходимо отметить, что пространственным воображением обладает только 25-30% населения земного шара, а объемное моделирование способны воспринимать все, без исключения, так как объектом построения будет не изображение предмета, пусть даже в аксонометрии, а его объемная модель, которая на экране дисплея только визуализируется различными способами. Чертеж в этих условиях играет вспомогательную роль, а способы его создания основаны на принципах отображения пространственной модели.

Пространственные модели могут быть:

• каркасными (проволочными), которые задаются координатами вершин и соединяющими их ребрами. Эта модель проста, но с ее помощью можно представить только ограниченный класс деталей, не всегда можно получить правильные изображения, а также автоматически анализировать процессы удаления невидимых линий и получения различных сечений;

• полигональными (поверхностями), которые задаются поверхностями. С помощью полигональной модели можно описать любую поверхность технического объекта Это реализуется путем ап-

проксимации поверхностей многогранником. Чем больше число граней, тем меньше отклонение от действительной формы объекта. Над полигональными моделями можно выполнять логические операции объединения, вычитания, пересечения;

• объемными (твердотельными). Твердотельные модели формируются из элементарных объектов с использованием логических операций объединения, вычитания, пересечения. Использование твердотельных моделей дает возможность вводить свойства материала создаваемого объекта, такие как плотность, теплопроводность, стойкость к агрессивной среде и др. По таким моделям можно не только построить графические изображения, но и рассчитывать другие характеристики, такие как масса, объем, центр инерции и др.

В большинстве случаев при формировании трехмерных «виртуальная» графических систем идут путем описания поверхностей. И лишь разработчики систем автоматизированного проектирования свои усилия направили на освоение твердотельного моделирования с возможностью параметризации и проверки не только прочностных свойств проектируемого изделия, но и для получения плоских проекций, оформления чертежа, технологической подготовки производства,

Понятие «виртуального» пространства стало уже привычным и может быть заполнено «виртуальными» предметами, созданными средствами систем векторной или растровой графики. Эти два вида графики — и векторная, и растровая — все чаще используется разработчиками вместе, так как они хорошо дополняют друг друга в пределах одного программно-графического комплекса.

Специалисты, работающие с такими системами, очень хорошо должны ориентироваться в такого рода пространстве и оперировать моделями и элементами конструкций, что дает возможность конструктору работать, сосредоточив свое внимание на реализации проекта, а не на вычерчивании геометрии. При подготовке инженеров проектировщиков, да и в целом в инженерном образовании развитие пространственного воображения происходит на занятиях по начертательной геометрии, проективной геометрии, инженерной графики.

Автоматизация процесса конструирования и подготовки производства изделий на основе создания трехмерных геометрических моделей проектируемых изделий включает прочностные и кинематические расчеты, компоновку и технологические процессы сборки изделий, изготовления деталей и т.д. Таким образом, ЗЭ модель геометрического объекта используется как для получения двумерной геометрической модели, так и для расчета характеристик объекта и технологических параметров его изготовления. Из этого следует, что геометрическое моделирование является ядром автоматизированного конструирования и технологической подготовки производства.

С появлением средств создания трехмерных твердотельных моделей возникает необходимость в корреляции предметного содержания традиционной начертательной геометрии и инженерной графики с предметами и дисциплинами, составляющими область компьютерной геометрии и графики. То есть, традиционную инженерную графику необходимо расширить в части применения наглядных изображений и технического рисунка.

Начальный этап обучения компьютерной графике можно начать с изучения двумерных построений,

как наиболее привычного метода создания изображений на бумаге при помощи карандаша. Если подготовка студентов позволяет, то изучение графической программы целесообразнее начинать сразу с трехмерного моделирования. Но в любом случае сначала нужно сформировать навыки работы с командами создания графических примитивов, из которых состоит любое изображение «виртуального» пространства.

На первом этапе даются общие сведения, термины, элементы рабочего экрана, структура меню, а также основы создания плоских форм. Целесообразно на этом этапе привести пример доведения плоской формы до объемного подвижного изображения. При этом, не вдаваясь в подробности, продемонстрировать возможность системы и, значит, ориентиры, к которым следует стремиться при изучении. Подобный упрощенный пример, как правило, вызывает у студентов большую заинтересованность в дальнейшем изучении.

На втором этапе требуется уже подробное изучение создания и редактирования трехмерных объектов. Программа позволяет создавать довольно сложные полигональные модели. Развитые и гибкие средства с работы с текстурами, получаемыми из этих же (или дополнительных) фотографий, позволяют получать поразительно реалистические и компактные трехмерные модели реальных объектов. Значение такого рода операций для архитекторов и дизайнеров трудно переоценить. Поэтому изучение основных методов реконструкции моделей является неотъемлемой частью описываемого курса компьютерной графики. Здесь же рассматриваются задача размещения и регулирование источников света и работа с камерой, через которую и будет производиться визуализация созданных объектов.

Третий этап — работа с проецированием на поверхности создаваемых объектов различных текстур и рельефа, заданию различных спецэффектов, таких как прозрачность, самосвечение, зеркальность.

Четвертый этап — создание анимации трехмерных сцен, задание движения объектов как абсолютного, так и относительно друг друга, то есть формирование иерархических связей между геометрическими объектами.

Кроме того, в учебном процессе может также применяться активный метод обучения в виде деловых игр. Методика проведения деловых игр позволяет имитировать работу конструкторского бюро над решением задач разработки оптимального варианта трехмерной твердотельной модели, получения рабочего чертежа детали, метода простановки размеров и др. Деловая игра в учебном процессе позволяет эффективно прививать будущим специалистам необходимые навыки практического использования полученных данных для самостоятельной постановки и решения задач в типичных производственных ситуациях.

Программных продуктов с трехмерным моделированием за последние годы появилось много. Это могут быть совершенно разные по идеологии построений и интерфейсу системы проектирования.

Одной из универсальных, удовлетворяющих всем видам конструирования, и получившей широкое распространение в мире, является система AutoCAD, позволяющая создавать чертежи любой сложности в любых отраслях промышленности.

Современные версии AutoCAD предоставляют пользователю различные методы создания

конструкторской документации. Чертежи могут быть созданы традиционным методом, с использованием таких примитивов, как точка, прямая, окружность, либо с использованием ранее созданных конструкций и их частей. AutoCAD обладает очень мощным комплексом команд редактирования чертежа (масштабирование объектов, зеркальное отображение и т.д.), что позволяет значительно сократить время создания конструкторской документации. Чертежи также могут создаваться на основе трехмерных геометрических моделей проектируемых изделий, при этом изображения на плоскости получают по пространственной модели.

AutoCAD имеет широкие возможности для твердотельного моделирования. Трехмерное твердотельное моделирование упрощает процесс восприятия формы детали, позволяет легко получить данные об объеме, массе тела и его инерционные характеристики и др. На занятиях в компьютерном классе студенты строят твердотельную модель детали, которую они могут поворачивать и передвигать в пространстве, а также получать плоские изображения или проекции данной детали. Это очень важно именно на начальных этапах изучения графических дисциплин, так как существенно облегчает понимание взаимосвязи между плоскими изображениями объекта и его положением в пространстве, а также способствует развитию пространственного мышления.

Ход развития современной науки и техники свидетельствует о большом распространении аппаратных средств компьютерной техники, что позволило разработчикам AutoCAD фирмы Autodesk оперативно превратить его в мощную систему, способную разрабатывать как двумерные плоские чертежи, гак и моделировать сложные пространственные объемные конструкции, удовлетворяющие стандартам ЕСКД.

Для AutoCAD существует около 4000 приложений для машиностроения, коммуникационных сетей, электротехнической промышленности, архитектуры и т.д.

Так, например, для полного перехода на твердотельное конструирование компания Autodesk Inc. представила новый программный продукт, специально предназначенный для твердотельного конструирования — Autodesk Mechanical Desktop.

Представленный программный продукт объединяет средства конструирования деталей, узлов и моделирования поверхностей. В пакет Autodesk Mechanical Desktop входят практически все необходимые инженеру-конструктору средства моделирования геометрических объектов. Он имеет новейшие версии известных программных продуктов компании Autodesk. AutoCAD Designer - для конструирования деталей и сборочных узлов. AutoCAD Designer — расширение системы AutoCAD для объектно-ориентированного параметрического твердотельного проектирования на основе конструк-торско-технологических элементов. При создании модели определяются основные правила построения и взаимосвязи между объектами. Система автоматически генерирует различные проекции модели и формирует чертеж изделия. При этом сохраняется жесткая связь между чертежом и моделью: любое изменение модели приводит к изменению проекций и наоборот. В состав AutoCAD Designer входит модуль интуитивного создания сборок. Наиболее высока эффективность применения его при разработке и проектировании деталей и конструкций в машиностроении.

Все средства Autodesk Mechanical Desktop удовлетворяют самым строгим требованиям и дают в руки конструктора мощный инструмент с различными функциями:

• параметрическое моделирование твердых тел на основе конструкторских элементов;

• произвольные конструктивные элементы можно моделировать путем выдавливания, вращения и сдвига плоского эскизного контура, а также путем отсечения фрагментов от твердотельных объектов произвольными поверхностями;

• в конструкцию можно включать стандартные элементы: сопряжения (галтели), фаски и отверстия (в том числе с зенковкой, разверткой и резьбовые);

• параметрические возможности: любой размер может быть переменным. Переменные могут использоваться в математических формулах. Переменными можно управлять глобально при помощи таблиц параметров;

• моделирование поверхностей произвольной формы: Моделирование примитивных поверхностей (конус, шар, цилиндр) и сложных поверхностей произвольной формы. Моделирование трубчатых поверхностей, поверхностей натяжения, изгиба, перехода; плавное сопряжение произвольных поверхностей;

• расчет площади поверхности и ее объема;

• расчет массо-инерционных характеристик и анализ взаимодействия моделей;

• расчет площади поверхности, массы и объема деталей и сборочных узлов;

• расчет моментов инерции;

• анализ взаимодействия деталей в сборочных узлах;

• геометрические зависимости;

• ассоциативное нанесение размеров и выносок;

• Конструирование сборочных узлов. Сборка деталей в узлы;

• графическое и логическое представление иерархической структуры сборочного узла;

• организация деталей и подузлов в виде внешних ссылок;

• наложение зависимостей на компоненты узлов;

• задание расположения деталей относительно друг друга по их ребрам, осям или граням.

Применение данного пакета значительно сокращает затраты времени и поднимает конструирование на новую высоту. Увеличивается первоначальная готовность изделия за счет возможности проведения необходимых расчетов на трехмерной модели, что позволяет избежать многих ошибок до производства опытного изделия. Сокращается количество «дублирований», однажды сконструированная и вычерченная деталь многократно используется и может быть занесена в библиотеку. Таким образом, пополняется банк твердотельных моделей изделий.

Возможности параметрического задания размеров, значительно упрощается создание однотипных узлов. На производстве очень часто применяются однотипные детали или, например, такое приспособление, как кондуктор, и после проведения испытаний нередко приходится изменять их параметры. В связи с этим необходимо заново создавать чертежи, на что уходит много времени. Использование современных систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяет автоматизировать рутинные чертежные работы и значительно сокращать время на создание конструкторской документации.

Функции рендеринга (наложения на трехмерные модели материалов и придание им их визуальных свойств) позволяет «увидеть» готовое изделие в процессе проектирования. Все это повышает автоматизацию конструкторских работ, уменьшает количество ошибок и сокращает «механическую» работу конструктора, предоставляя больше времени для непосредственного творчества.

Опыт использования AutoCAD в учебном процессе показал, что:

• ЭВМ повышает активность работы студентов, приучает к точности, аккуратности, самостоятельности;

• именно на лабораторных занятиях выясняются преимущества и недостатки использования средств машинной графики;

• введение элементов машинной графики на первых курсах позволяет заложить основы в подготовку инженера-пользователя САПР, которая получает дальнейшее развитие при изучении специальных дисциплин.

Опыт ведущих зарубежных университетов свидетельствует о том, что именно в течение первых двух-трех лет студенты получают прочный общенаучный фундамент.

МЯСОЕДОВА Наталья Викторовна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графики Омского государственного технического университета.

ВОЛКОВ Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры начертательной геометрии, инженерной и машинной графики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

Дата поступления статьи в редакцию: 03.02.06 г. ©Мясоедова Н.В., Волков В.Я.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЭЛЬЗЕВИР» ОБЕСПЕЧИВАЕТ СВОБОДНЫЙ ДОСТУП К НАУЧНЫМ ЖУРНАЛАМ МИРА

Ежемесячно несколько десятков журналов на платформе ScieceDirect.com открыты для всех желающих в свободном доступе. Со второго квартала этот список пополнился 13 наименованиями из «Коллекции Китая» (China Collection), которые будут доступны в полнотекстовом режиме всем пользователям бесплатно до конца 2006 года. Acta Genetica Sinica Acta Mathematica Scientia, Series В Acta Metallurgies Sinica Agricultural Sciences in China Chemical Research in Chinese Universities Journal of Iron and Steel Research International Journal of Rare Earths

Journal of University of Science and Technology Beijing

Nuclear Science and Techniques

Pedosphere

Rare MeLals

Transactions of Nonferrous Metals Society of China Tsinghua Science and Technology China Collection на платформе ScienceDirect - это серия престижных китайских журналов в области науки, техники и медицины, которые никогда ранее не распространялись за пределами Китая. По данным ISi, уровень научных публикаций Китай перешагнул с 15-го места в мире в 1989 году на 5-е в 2005 году. Китай на сегодняшний день является самой быстро развивающейся страной в научной сфере. Ежегодно капиталовложения в научные исследования растут на 20 %, что составляет около 70 миллиардов долларов в 2005 году. При этом из-за языковых и других барьеров около 75 % китайских научных исследований не публикуются за границей. Благодаря совместным усилиям издательства Elsevier и Китайской Академии Наук, предоставленная коллекция China Collection дает уникальную возможность познакомиться и понять китайский подход в научно-технических и медицинских исследованиях (напр., клиническую медицину, клонирование или исследования стволовых клеток). Более подробную информацию о China Collection вы можете найти на сайте http://www.info.scien-

cedirectcom/content/joumals/china/. Кроме вышеперечисленных 13 журналов China Collection всем пользователям бесплатно доступны еще 28 полнотекстовых журналов (преимущественное 1995 года): Издательство Academic Press: Information and Computation

Издательство Cell Press: Cancer Cell Cell

Chemistry & Biology Current Biology Developmental Cell Immunity Molecular Cell Neuron Structure

Издательство Elsevier: CMIG Extra: Cases Combinatorial Chemistry - an Online Journal Electronic Notes in Theoretical Computer Science FEBS Letters Injury Extra

International Journal of Medical Informatics Journal of the American College of Cardiology Journal of the American Society for Mass Spectrometry

Journal of Clinical Virology Materials Today

Mechanisms of Ageing and Development Oral Oncology Extra Statistical Methodology Издательство Elsevier SAS: Joint Bone Spine Издательство W.B. Saunders: Clinical Radiology Extra

EJVES Extra

Journal of Hospital Infection Public Health

Список бесплатно доступных журналов периодически меняется, его всегда можно найти на сайте на закладке Journals. О других новостях издательства Эльзевир и программах в России вы сможете узнать на русскоязычном сайте: www.eslevier.ru Здесь вы можете получить информацию о том как опубликовать свою статью в журналах Эльзевира, а также высказать свое мнение в разделе Форума.