CC BY
28
Раздел 5. Теоретические и прикладные аспекты высшего профессионального образования Использование трехмерных графических изображений при курсовом проектировании
к.т.н. проф. Маринкин А.П., доц. Дмитриева Л.А.
Университет машиностроения dmitrieva-dm@mami.ru, 8(495)223-05-23 доб. 1215
Аннотация. Использование трехмерных графических изображений дало возможность визуализировать конструкцию редуктора. Общий анализ разработки трехмерной модели редуктора при курсовом проектировании.
Ключевые слова: курсовое проектирование, визуализация конструкции, трехмерные графические изображения
Прогресс не стоит на месте, и то, что было актуально и свежо в 2000 году, в 2012 воспринимается как базовое и стандартное. Появился целый ряд насущных задач, решение которых требует обновления. На помощь приходят современные мультимедийные технологии. Крайне актуально их использование при работе студентов над курсовыми проектами по различным дисциплинам.
Функциональность компьютерных программ максимально приближена к насущным задачам современного пользователя, количество графических редакторов и их поддержка были существенного расширены, они стали более интересны и соответствуют современным представлениям о конструировании и дизайне.
В математических и научных исследованиях мультимедиа в основном используется для моделирования. Рассмотрим на примере моделирования редукторов. В настоящее время разработаны современные полнофункциональные профессиональные программы для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации. Программы широко применяются в промышленном дизайне, в создании анимированных роликов, позволяют создавать разнообразные по форме и сложности трёхмерные модели объектов окружающего мира.
В трехмерном пространстве существует три наиболее часто используемых системы координат - сферическая, цилиндрическая и прямоугольная. В каждой системе координат используется три числа. Сферическая система координат используется для указания точки на сфере. Первое число этой системы координат является радиусом сферы. Второе число, является углом между линией, проходящей через нулевую точку горизонта, и линией, проходящей через то место, где точка проецируется на горизонтальную поверхность. Третье число, является углом между линией, проходящей через точку, и горизонтальной поверхностью. Оси координат x, у, z отображают прямоугольную систему координат с началом в центре сферы.
Цилиндрическая система координат, используется для указания точки на цилиндре. В основе системы лежит горизонтальная плоскость, перпендикулярная осевой линии цилиндра. Эта плоскость похожа на плоскость горизонта в сферической системе координат, перпендикулярной линии, проходящей через полюсы сферы. Также на плоскости содержится нулевая базисная линия, выходящая из центра цилиндра на базовой плоскости и проходящая через нулевую точку цилиндра. Первое число - это радиус цилиндра, как в сферической системе координат. Второе - это угол между прямой, проходящей через нулевую точку горизонта, и прямой, проходящей через то место, где точка проецируется на горизонтальную плоскость. Третье число - это высота точки над базовой горизонтальной плоскостью. Оси координат x, у, z отображают прямоугольную систему координат с началом в центре основания цилиндра. Прямоугольная система координат, в ней не применяются изогнутые поверхности, окружности, дуги, углы. Система состоит из трех взаимно перпендикулярных плоскостей. Одна плоскость считается горизонтальной, следовательно две другие плоскости - вертикальные. Три прямые, образуемые пересечением трех пар плоскостей, называют осями. Точка, где пересекаются три оси, является началом координат. Эта совокупность осей определяет мировую
систему координат, сокращенно MCK (WCS -World Coordinate System) Любая работа в трехмерной графике делится на несколько этапов:
1. Полигональное моделирование - на данном этапе на основе простейших геометрических фигур (^б, сфера, цилиндр и т.д.) создается требуемый объект визуализации.
2. Создание сцены и окружения -происходит создание сцены, на которой будет располагаться модель и окружающих объектов.
3. Создание реалистичного освещения - выбор типа источников света, количества, и их расположения в пространстве.
4. Выбор материалов и текстур - на данном этапе на модель и её окружение накладываются текстуры различных материалов: чугун, бронза, сталь, стекло, пластик и т.д.
5. Визуализация - заключительный этап работы над моделируемой сценой. Только после визуализации становятся видны все свойства материалов объектов и проявляются эффекты внешней среды.
6. Реализация различных способов управления перемещением или изменением свойств объектов (деталей) в процессе визуализации, обеспечивающих возможность достоверной имитации самых разных типов движений. т.е. обеспечит сборку деталей механизма в нужной последовательности, создать имитацию этой сборки.
Далее из полученных трехмерных моделей можно создавать различные анимационные
ролики, демонстрирующие модель в работе.
Рисунок 1 - Червячный редуктор ЗБ-модель в сборе
На рисунке 1 изображена модель 3D червячного редуктора с нижним расположением червяка. С помощью графической программы смоделированы червячное колесо, вал-червяк, подшипники, крышки подшипников, корпус редуктора и т.д. Каждую позицию можно рас-смотривать как отдельную деталь, а так же как составную часть сборочной единицы. Деталь - это трехмерное представление одного компонента. Принципы, заложенные в систему, изначально дают определение трехмерной детали как основного стандартного блока программного обеспечения при проектировании. Иными словами, работа начинается с построения детали, а только затем уже можно перейти к другим шаблонам (сохранив деталь). Ее использование заключается в объединении заранее заготовленных деталей в Сборку, в результате чего получается целостная картина объекта моделирования.
На рисунке 2 изображение червячного редуктора в разобранном виде, без крышки корпуса. Такое изображение позволяет изучать устройство конструкции, ее составные части.
Рисунок 2 - Червячный редуктор ЗБ-модель в разобранном виде
Применение полученных знаний трехмерного моделирования дает возможность воплотить сухие цифры расчета в реальное объемное изображение. Можно наглядно рассмотреть расположение деталей в конструкции, сами детали, материал, из которого они изготовлены, последовательность сборки редуктора. Возможно также визуализировать конструкцию, рассмотреть во всех видах, со всех сторон, обеспечить сборку деталей редуктора в нужной последовательности, создать имитацию этой сборки.
Начиная работать над созданием модели 3D с помощью компьютерных программ, студент должен овладеть несколькими важными навыками: проектирование и черчение, знанием операционной системы компьютера и программы графического редактора. Проектирование и черчение требуют строгого следования определенным правилам. Правила черчения в конкретных дисциплинах были перенесены из традиционного черчения на листах ватмана, в автоматизированное черчение. Чертежные компьютерные программы реализуют эти правила с множеством дополнительных возможностей. Однако сама программа не выбирает автоматически правильный символ, размер, тип линии или другой элемент чертежа, чтобы применить к текущему рисунку. Студент должен знать, как предположительно будет выглядеть окончательный продукт. Как чертежник и проектировщик, использующий систему автоматизированного проектирования, должен правильно применить тип символа исходя из своих знаний конструирования.
По результатам расчета начинают автоматическое построение модели механизма (редуктора) аналогично черчению вручную. Мощность и скорость компьютера не заменят профессиональных знаний и не подскажут, как должен выглядеть окончательный чертеж.
Литетатура
1. Лукьянов А.С., Зайцева Т.Н., Маринкин АЛ. Опыт использования мультимедийных технологий в преподавании машиностроительных дисциплин// Известия Московского государственного технического университета МАМИ.2010. №1.С.250-254.
2. Маринкин А.П., Милов В.А., Михайлин А.А. О роли самостоятельной работы студентов при освоении общетехнических дисциплин// Известия Московского государственного технического университета МАМИ.2008.С.199-201.
