1. Основные задачи cad Основные задачи, которые необходимо решить при автоматизации конструирования в машиностроении:
создание геометрических моделей деталей, узлов и изделия в целом;
поддержка типовых задач конструирования;
оформление конструкторской документации.
Создание геометрической модели
Конструктор может получить новую геометрию тремя основными способами:
выполнить новую модель в интерактивном режиме. Включает в себя создание эскизов (обычно плоских, 2D) и последовательного выполнения над ними 3D-операций для образования твердого тела или поверхности.
преобразовать ранее созданную геометрию в объемную модель одним из следующих способов:
а) отсканировать ранее созданную плоскую (2D) геометрию – дизайнерские эскизы или чертежи, и преобразовать контуры плоской геометрии в объемную модель;
б) воссоздать геометрию уже существующего объекта по результатам 3D-сканирования (реинжиниринг).
импортировать уже существующую 3D-геометрию деталей или узлов. Источником новой геометрии в этом случае служат базы данных 3D-моделей стандартных или ранее спроектированных изделий, а также пакеты немашиностроительных САПР. Например, объемная модель печатной платы с установленной на ней деталями может быть выполнена в ECAD – пакете автоматизации проектирования радиоэлектронных компонентов, а затем импортирована в пакет машиностроительного САПР.
Поддержка конструирования
При автоматизации собственно конструирования необходимо решить следующие основные задачи:
создание сборок узлов и изделия в целом и проверка (анализ) их собираемости;
автоматизация проектирования типовых деталей и узлов. Например, деталей, гнутых из листа, штампов, зубчатых передач и т.д.
выбор оптимальной геометрии оригинальных деталей и узлов при заданных ограничениях. Критерием оптимальности может служить масса, габаритные размеры и т.д.
При оформлении конструкторской документации автоматизации подлежат следующие основные задачи:
получение чертежа на основе трехмерной модели, в том числе получение объемного сборочного чертежа с изображением деталей, раздвинутых для улучшения восприятия (т.н. «взорванный» чертеж);
получения различных видов спецификаций, в том числе для изделия в нескольких исполнениях;
создание фотореалистического изображения деталей и сборок, а также анимация движения механизмов.
2. Геометрические модели в машиностроении
Традиционно геометрические модели делятся на плоские (2D, двухмерные) и трехмерные (3D). Плоская модель – это чертеж, представляющий собой набор проекций изделия на выбранные плоскости, обычно плоскости координат. При этом объемная модель будущей детали существует только в голове конструктора. Поэтому при создании чертежа конструктор должен вообразить, как будут выглядеть проекции воображаемой детали на выбранные плоскости. Для сложной детали или узла это нетривиальная задача, требующая сосредоточенности, хорошего пространственного воображения и не исключающая ошибок.
Главным недостатком чертежа является неоднозначность между трехмерным объектом и его изображениями на плоскости. Поэтому, в принципе, можно создать чертеж (плоское изображение) невозможной конструкции.
В отличие от чертежа, 3D-модель является однозначным представлением геометрии и количественного состава объекта. Например, если в сборочном чертеже болт представляется несколькими видами, то в объемной сборке — одним объектом, моделью болта. Объект, созданный средствами твердотельного или поверхностного моделирования, всегда имеет реальный физический прототип. Кроме того, трехмерное – т.е. однозначное – представление геометрии позволяет легко определять площадь поверхности, объем, моменты инерции и другие характеристики моделей будущих изделий, позволяет решать задачи оптимизации геометрии конструкции и т.д.
Под твердым телом (solid, solid body) понимается замкнутая область пространства, заполненная некоторым материалом. В этом случае положение области, заполненной материалом, определяется однозначно (в отличие от поверхности), поэтому такой тип 3D-моделей наиболее распространен в машиностроении.
В отличие от твердого тела поверхность (surface) имеет нулевую толщину. Такое представление позволяет более гибко управлять ее формой и, соответственно, строить детали более сложной формы.
При желании набор пересекающихся поверхностей можно преобразовать в твердое тело, или наоборот, твердое тело можно преобразовать в набор отдельных поверхностей.
Построения элементов 3D-геометрии (твердых тел или поверхностей) начинается, как правило, с создания некоторого контура или набора кривых на плоскости (плоскостях). Поэтому при запуске любого CAD-пакета в распоряжении конструктора сразу предоставляются как минимум три плоскости – передняя (спереди, front), верхняя (сверху, top) и правая (справа, right). Они расположены в пространстве под прямыми углами друг к другу и проходят через начало координат.
Кроме того, в пространстве можно создавать произвольное число т.н. пользовательских плоскостей. Их ориентация и расположение в пространстве может быть произвольно.
При 3D-построениях используются также трехмерные кривые, например, винтовая линия (спираль). При необходимости можно создать кривую произвольной формы, по заданному математическому закону (например, обвод крыла или лопасти винта).
Элементы 3D-геометрии
Грань (рисунок 2.2.5) представляет собой плоскую или цилиндрическую поверхность, ограниченную линиями (ребрами). Точка, в которой сходятся два или более ребра, называется вершиной.
Рисунок 2.2.5 – Элементы 3D-геометрии