Лекция №6 Геометрическое моделирование и организация графических данных
Теоретические вопросы:
6.1. Назначение и область применения систем обработки геометрической информации
6.2. Двухмерное проектирование с помощью системы AutoCAD
6.3. Параметрическое проектирование с применением системы SolidWorks
6.1. Назначение и область применения систем обработки геометрической информации
При подготовке рабочих чертежей конструктор постоянно сталкивается с геометрическими построениями, моделями и элементами. При геометрическом проектировании модели применяются для описания геометрических свойств объекта проектирования; решения геометрических задач; преобразования формы и положения геометрических объектов; ввода графической информации; оформления конструкторской документации. Прямые линии и другие графические объекты, можно построить и вручную, воспользовавшись карандашом, пером и подходящим чертежным инструментом. Однако, такой способ имеет следующие недостатки:
1) непостоянство толщины линий;
2) необходимость постоянного пересчета реальных размеров;
3) с учетом масштаба построения;
4) малоэффективное стирание и перенос изображения;
5) невозможность копирования элементов изображения для подстановки в новый чертеж и т.д.
Постепенно под влиянием быстрого развития и совершенствования технического обеспечения постепенно начали развиваться и широко внедряться с целью автоматизации чертежных работ системы автоматизированного проектирования, основанные на использовании методов и алгоритмов машинной графики. Машинная графика к настоящему времени стала самостоятельной дисциплиной и занимается совершенствованием математического аппарата систем, основанных на обработке графической информации. Несмотря на значительные успехи САПР в настоящее время, по-прежнему, одним из важнейших технических документов, который создается при проектировании, является чертеж (рис. 19).
Главной задачей машинной графики является визуализация, т.е. создание изображения. Визуализация выполняется исходя из описания (модели), того, что нужно отображать. Визуализация изображений невозможна без их обработки. Обработка - это преобразование изображений, т.е. входными данными является изображение, и результат - тоже изображение. Примером обработки изображений могут служить: повышение контраста, четкости, коррекции цветов, редукция цветов и т.д.
В машинной графике под геометрической (графической) информацией понимают все виды изображений, состоящих из кривых линий и точечных растров. Графическая обработка данных на ЭВМ рассматривается как формирование изображений, их хранение, отображение и преобразование. Графическая обработка данных может быть пассивной или активной. При пассивной графической обработке, после решения на ЭВМ графических задач, результат каким-либо образом отображается, но человек при этом не имеет возможности прямого воздействия на графические преобразования. Различные изображения, получаемые с применением ЭВМ, можно подразделить на штриховые чертежи двумерных объектов, штриховые чертежи трехмерных объектов или так называемые про волочные модели, штриховые чертежи трехмерных объектов со скрытыми невидимыми поверхностями, двумерные полутоновые и цветные изображения, трехмерные цветные изображения тел с непоказанными невидимыми поверхностями.
Для эффективного функционирования программного обеспечения САПР необходима организация данных, которая основана на модели объекта проектирования, т.е. моделирование структур данных, организация их хранения и доступ к ним. Один из подходов основывается на создании модели изделия. Под моделью понимается такое представление данных, которое наиболее адекватно отображает характерные свойства реального объекта, существенные для процесса проектирования. Модели, в свою очередь, делятся на двумерные и трехмерные. Двумерные модели позволяют формировать и изменять чертежи, а трехмерные модели (ПГМ) служат для представления изделия в трех измерениях.
Рис. 19. Пример рабочего чертежа изделия
Существует также три основных вида трехмерных моделей:
1) каркасные - содержат координаты вершин и соединяющие их ребра;
2) поверхностные - задаются поверхностями;
3) объемные (твердотельные) - представляют изделие с обеспечением логической связности информации, в частности благодаря введению понятия о материале и его физических свойствах.
Графическая модель дает возможность избежать необходимости составления длинного и запутанного словесного описания, как при разработке большинства компьютерных программ. Как мы уже говорили, проектирование любого объекта начинается с замысла. Конструктор рассчитывает идею и с помощью средств графического моделирования поэтапно ее совершенствует. Все типы моделирования основаны на трехмерной графической информации. Геометрическое моделирование имеет преимущество перед другими типами моделирования, т.к. оно наиболее удобно для зрительного восприятия.
Обычно, при моделировании детали объекта, которые скрыты от наблюдателя, вследствие его непрозрачности, убираются, или представляются пунктирными линиями, называемыми также невидимыми линиями. Моделируемый объект не всегда ограничен только плоскими поверхностями. Поэтому необходимо научиться моделировать детали с криволинейными геометрическими поверхностями. Любая объемная модель составлена из геометрических форм и фигур, поэтому освоение программ, работающих с трехмерной графикой, необходимо начинать с построения наиболее часто применяемых объемных фигур и плоскостей. Проанализировав состав графических данных можно выделить два основных вида ГО:
1) постоянный - с постоянными размерами и геометрической формой, например, ГИ условных графических обозначений радиоизделий электрических схем, стандартное изделие с постоянными размерами;
2) параметрически заданный - с переменными размерами и геометрической формой.
Постоянные ГО могут быть сформированы с использованием любого графического редактора, например, AutoCAD. Методы описания параметрических заданных ГО - создание моделей изделий - характеризуются большими затратами на формирование внутримашинного представления. Чтобы сократить эти затраты, при описании некоторых групп технических объектов можно воспользоваться одним из двух принципиально различных методов: вариантным или генерирующим.
Вариантный метод основан на том, что для определенного класса изделий выявляется модель-представитель, с помощью которой можно получить все геометрические формы этого класса изделий. Представителя класса изделий называют типовой моделью, а полученные из нее формы - вариантами. Исполнение изделия определяется заданными параметрами, обнуление которых приводит к исключению составных элементов ГО. В простейшем случае изменяют только размеры, а конструкция отдельных вариантов семейства изделий остается неизменной. Такой вид конструирования называют принципиальным (т.е. сохранением принципа конструкции). При принципиальном конструировании данные технологической документации не подготавливаются каждый раз заново, а закрепляются за уже имеющимися чертежами. Применение такого метода предполагает, что уже сделан выбор геометрии для проектируемого изделия.
В противоположность вариантному методу при генерирующем методе определяются различные сочетания конструктивных и технологических элементов и выбирается наилучшее решение. Принцип работы системы, использующей генерирующий метод, основан на разделении ГО на элементы и создании новых ГО из имеющихся элементов. Различают следующие группы элементов: основные (функциональные), вспомогательные(конструктивные геометрические и элементы формы) и технологические. С помощью основных элементов создается геометрическая форма детали.
Это дает, прежде всего, общее описание детали. С помощью вспомогательных элементов, которые непосредственно связаны с основными, осуществляется более подробное описание детали, что позволяет полностью передать ее геометрическую форму. Технологические элементы или их характеристики относятся и к основным, и к вспомогательным элементам. Они также влияют на простановку размеров.
САПР, работающие по генерирующему принципу, обладают большей гибкостью и пригодны для решения различных задач. Использование этого метода эффективно, так как опыт показывает, что большинство конструкторских разработок, называемых новыми конструкциями, создается путем ранее использовавшегося сочетания элементов, давно известных как по принципу назначения, так и по исполнению.
Любая система автоматизированного проектирования, предназначенная для автоматизации чертежных и графических работ, состоит из технических средств и программного обеспечения и позволяет осуществлять графический ввод и вывод. В программном обеспечении графической системы различают следующие четыре разновидности: общий пакет подпрограмм; специальный пакет подпрограмм; расширение языков; графические языки. Для ввода графических данных в современную ЭВМ используется ряд устройств, основным из которых для машиностроительного черчения является компьютерная мышь. Здесь следует отметить, что варианты автоматизации и организации программного обеспечения (ПО) систем автоматизированного проектирования весьма разнообразны и зависят от многих факторов, главными из которых являются:
1) предметная область, аспекты и уровни создаваемых с помощью ПО описаний проектируемых объектов;
2) степень автоматизации отдельных проектных операций и процедур;
3) архитектура и состав технических средств, режим функционирования;
4) ресурсы, отпущенные на разработку ПО.
В автоматизированном проектировании наиболее часто используются методы начертательной, аналитической, проективной и дифференциальной геометрии. Кроме этого, при решении большинства задач в области автоматизированного проектирования необходимо учитывать форму проектируемого объекта. Информация о геометрических характеристиках объекта используется не только для получения графического изображения, но и для расчета различных характеристик объекта и технологических параметров его изготовления.
В традиционном проектировании обмен информацией осуществляется на основе эскизных и рабочих чертежей с использованием нормативно-справочной и технической документации. В САПР этот обмен реализуется на основе внутримашинного представления объекта. САПР технических объектов, реализующие процесс манипулирования геометрическими объектами, принято называть системами геометрического моделирования. В большинстве двумерных систем геометрического моделирования описание объекта осуществляется в интерактивном режиме в соответствии с алгоритмами, аналогичными алгоритмам традиционного метода проектирования. Основой ядра большинства таких систем являются методы начертальной геометрии и черчения.
В трехмерных системах геометрического моделирования возможна обработка трехмерных объектов, представленных проволочной, полигональной и объемной моделями. В основе работы наиболее распространенных систем рассматриваемого класса лежит двумерная геометрия, являющаяся исходными данными для построения модели методом выдавливания или вращения. Незначительные (с точки зрения эскиза) элементы детали выполняются уже непосредственно в полученной модели. В течение последнего десятилетия сложились новые подходы к организации процесса проектирования и разработки программного обеспечения, поддерживающего использование соответствующих стандартов и обеспечивающего единую концепцию конструкторско-технологической подготовки производства, основанную на трехмерном проектировании.
В связи с этим фирмы, производящие программное обеспечение, предназначенное для проектирования того или иного объекта пытаются комплексно подходить к решению этой задачи и работают по следующим направлениям:
1) разработка систем управления проектами и техническим документооборотом;
2) работа над создание трехмерной модели изделия;
3) разработка принципов и систем создания конструкторской документации на изделие (чертежи, спецификация и т.д.);
4) разработка и создание систем, предназначенных для технологической подготовки производства;
5) всесторонний анализ изделия (расчеты на прочность, динамический анализ и т.д.);
6) создание технологической оснастки для изготовления изделия;
7) изготовление изделия (подготовка программ для станков с ЧПУ.