Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматизированного проектирования. Моделирование в машиностроении. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
М. В. Овечкин, В.Н. Шерстобитова
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ: МОДЕЛИРОВАНИЕ В
МАШИНОСТРОЕНИИ
Рекомендовано ученым советом федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования «Оренбургский государственный
университет» в качестве учебного пособия для аспирантов,
обучающихся по направлению подготовки 09.06.01 Информатика
и вычислительная техника
Оренбург
2016
УДК 681.5:004.92(075.8)
ББК 32.965я73+32.973.2я+73
О-31
Рецензент – профессор, доктор технических наук
А.Н. Поляков
Овечкин, М.В.
О-31 Системы автоматизированного проектирования: моделирование
в машиностроении: учебное пособие / сост. М.В. Овечкин, В.Н.
Шерстобитова; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2016. 103 с.
ISBN 978-5-7410-1553-7
Основное содержание: учебно-методическое и информационное
обеспечение работы обучающихся при изучении материала.
Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения
дисциплины «Системы автоматизированного проектирования»
аспирантами, обучающимся по направлению подготовки 09.06.01
Информатика и вычислительная техника, профилю «Системы
автоматизации проектирования (машиностроение)».
Учебное пособие может быть использовано при изучении
дисциплины «Разработка инженерных приложений для предприятий
ОПК» образовательного модуля «Технологии и оборудование для
обеспечения высокотехнологичного производства на АО «ПО«Стрела».
Может быть использовано студентам других специальностей и
аспирантами при создании компьютерных приложений с
использованием элементов компьютерной графики, геометрического
моделирования, а так же может полезно работникам машиностроения.
УДК 681.5:004.92(075.8)
ББК 32.965я73+32.973.2я+73
© Овечкин М. В.,
Шерстобитова В.Н., 2016
© ОГУ, 2016
2
Содержание
Введение ................................................................................................................... 4
1 Характеристики дисциплины .............................................................................. 5
1.1 Цели и задачи освоения дисциплины ......................................................... 5
1.2 Результаты обучения ..................................................................................... 5
2 Основные понятия и принципы автоматизированного проектирования ....... 9
2.1 Понятие, методы и стадии инженерного проектирования ........................ 9
2.2 Классификация моделей и параметров, используемых при
автоматизированном проектировании ............................................................. 10
2.3 Типовые проектные процедуры ................................................................. 12
3 Аппаратное обеспечение (АПО) САПР ........................................................... 14
3.1 Требования к АПО САПР ........................................................................... 14
3.2 Вычислительные системы в САПР ............................................................ 15
3.3 Основные компоненты АПО САПР ........................................................... 16
4 Основы компьютерного геометрического моделирования и графики ......... 22
4.1 Классификация и виды геометрических моделей .................................... 22
4.2 Метрические и позиционные задачи геометрического моделирования 28
5 Практическая часть ............................................................................................ 30
5.1 Техническое задание на разработку САПР ............................................... 30
5.2 Знакомство с графической библиотекой OpenGL .................................... 32
5.3 Построение векторных линий ..................................................................... 44
5.4 Текстурированные объектов ....................................................................... 55
5.5 В – сплайн, Nurbs, Безье поверхности ....................................................... 62
5.6 Поверхность Кунса ...................................................................................... 75
5.7 Применение булевых операций для построения сложных объектов ..... 83
6 Контрольные вопросы по курсу ....................................................................... 95
7 Рекомендуемая литература ............................................................................. 100
7.1 Основная литература ................................................................................. 100
7.2 Дополнительная литература ..................................................................... 100
7.3 Периодические издания ............................................................................. 100
7.4 Интернет-ресурсы ...................................................................................... 101
Список использованных источников ................................................................ 102
3
Введение
Системы автоматизированного проектирования (САПР) в машиностро-
ении занимают особое место среди прочих информационных технологий, так
как частями автоматизация проектирования являются многие другие современные информационные технологии.
Техническое обеспечение САПР базируется на использовании телекоммуникационных технологий и вычислительных сетей. В САПР используются как персональные компьютеры, так и рабочие станции и мейнфреймы.
Математическое обеспечение САПР отличается большим разнообрази-
ем используемых методов математического программирования, вычислительной математики, дискретной математики, статистики, искусственного
интеллекта.
Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных
современных программных систем, основанных на таких языках программи-
рования как Object Pascal, С, C++, Java и прочих. Велико использование в
САПР современных CALS-технологий, реляционных и объектноориентированных систем управления базами данных (СУБД).
Производственные предприятия, ведущие разработки без САПР или
лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как вследствие больших материальных и временных затрат на про-
ектирование, так и из-за невысокого качества проектов.
Появление первых программ для автоматизации проектирования за ру-
бежом и в СССР относится к началу 60-х гг. Тогда были созданы программы
для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, про-
ектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расшире-
ния областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса,
внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.
К настоящему времени создано большое число программно-
методических комплексов для САПР с различными степенью специализации
и прикладной ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР,
не может считаться полноценным специалистом.
Учебное пособие предназначено для обучающихся по программам под-
готовки кадров высшей квалификации по направлению 09.06.01 – Информа-
тика и вычислительная техника, профилю Системы автоматизации проекти-
рования (машиностроение).
4
1 Характеристики дисциплины
Планируемые результаты обучения по дисциплине,
характеризующие этапы формирования компетенций
Формируемые
компетенции
1
2
Знать:
33(УК-1) – методы генерирования новых идей при
решении исследовательских и практических задач в
профессиональной деятельности, в том числе в
междисциплинарных областях
Уметь:
У
3
(УК-1) – анализировать альтернативные варианты
решения практических задач
Владеть:
В
4
(УК-1) – навыками критического анализа и оценки
современных научных достижений и результатов
деятельности по решению исследовательских и
практических задач
УК-1 способностью к
критическому
анализу и оценке
современных
научных достижений,
генерированию
новых идей при
решении
исследовательских и
практических задач, в
том числе в
междисциплинарных
областях
1.1 Цели и задачи освоения дисциплины
Цель освоения дисциплины «Системы автоматизированного
проектирования (машиностроение)»: изучение методов построения систем
автоматизированного проектирования в машиностроении.
Задачи:
– изучить принципы построения современных систем
автоматизированного проектирования и их классификацию;
– изучение средств компьютерной векторной графики, их
классификацию, методы построения современных систем
автоматизированного проектирования с использованием вычислительной
техники;
– получить знания о стандартах автоматизированного проектирования,
перспективах развития систем автоматизации проектных работ;
– освоить методологию автоматизированного проектирования в целях
практического использования для проектирования собственных программнометодических комплексов САПР.
1.2 Результаты обучения
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование
следующих результатов обучения (таблица 1.1):
Таблица 1.1 - Планируемые результаты обучения по дисциплине
5
Продолжение таблицы 1.1
1
2
Знать:
З
2
(УК-2) – основные концепции современной фило-
софии науки, основные стадии эволюции науки,
функции и основания научной картины мира
Уметь:
У
1
(УК-2) – использовать положения и категории
философии науки для анализа и оценивания
различных фактов и явлений
Владеть:
В
1
(УК-2) – навыками анализа основных
мировоззренческих и методологических проблем, в
т.ч. междисциплинарного характера, возникающих в
науке на современном этапе ее развития
УК-2 способностью
проектировать и
осуществлять
комплексные
исследования, в том
числе
междисциплинарные,
на основе целостного
системного научного
мировоззрения с
использованием
знаний в области
истории и философии
науки
Знать:
З
2
(УК-3) – специфику и этические нормы взаимодей-
ствия с членами российских и международных иссле-
довательских групп при осуществлении научнообразовательной деятельности
Уметь:
У
2
(УК-3) – анализировать методологические и орга-
низационные проблемы, возникающие при работе по
решению научных и научно-образовательных задач в
российских или международных исследовательских
коллективах
Владеть:
В
2
(УК-3) – различными типами коммуникаций (в том
числе на иностранном языке) при осуществлении работы в российских и международных коллективах по
решению научных и научно-образовательных задач
УК-3 готовностью
участвовать в работе
российских и
международных
исследовательских
коллективов по
решению научных и
научно-
образовательных
задач
Знать:
З
2
(УК-4) – грамматические, лексические и стилисти-
ческие способы презентации результатов научной де-
ятельности в устной и письменной форме на государственном и иностранном языках
Уметь:
У
2
(УК-4) – применять коммуникативные лексико-
грамматические модели в научном общении на госу-
дарственном и иностранном языках
Владеть:
В
3
(УК-4) – нормами и этикой научной коммуникации
на государственном и иностранном языках
УК-4 готовностью
использовать
современные методы
и технологии
научной
коммуникации на
государственном и
иностранном языках
6
Продолжение таблицы 1.1
1
2
Знать:
З
1
(ОПК-1) – принципы создания машин, оборудования
и средств технологического оснащения;
Уметь:
У
1
(ОПК-1) – оценивать конструкторские решения
станков, отдельных приводов, другого оборудования,
а также средств технологического оснащения на
основе существующих методик;
Владеть:
В
1
(ОПК-1) – навыками компьютерного и
математического моделирования станков, других
машин, отдельных их компонентов и средств
технологического оснащения
ОПК-1 владением
методологией
теоретических и
экспериментальных
исследований в
области
профессиональной
деятельности
Знать:
З
1
(ОПК-2) – принципы и методы проектирования но-
вой техники;
Уметь:
У
1
(ОПК-2) – разрабатывать нетиповые конструкции
изделий машиностроения;
Владеть:
В
1
(ОПК-2) – навыками конструирования новой тех-
ники;
ОПК-2 владением
культурой научного
исследования, в том
числе с
использованием
современных
информационно-
коммуникационных
технологий
Знать:
З
1
(ОПК-3) – технологические процессы формообразо-
вания деталей машиностроения путем удаления части
начального объема материала
Уметь:
У
1
(ОПК-3) – обобщать и систематизировать
информацию по исследуемой теме;
Владеть:
В
1
(ОПК-3) – навыками проведения критического
анализа
ОПК-3 способностью
к разработке новых
методов
исследования и их
применению в
самостоятельной
научно-
исследовательской
деятельности в
области
профессиональной
деятельности
Знать:
З
1
(ОПК-4) – теорию и практику проектирования, мон-
тажа и эксплуатации станков, а также их компонентов;
Уметь:
У
1
(ОПК-4) – проектировать и разрабатывать нетради-
ционные технологические процессы механической об-
работки
ОПК-4 готовностью
организовать работу
исследовательского
коллектива в области
профессиональной
деятельности
7
Продолжение таблицы 1.1
1
2
Владеть:
В
1
(ОПК-4) – навыками проведения исследований на
современном высокотехнологичном оборудовании
ОПК-4 готовностью
организовать работу
исследовательского
коллектива в области
профессиональной
деятельности
Знать:
З
1
(ОПК-5) – методы анализа научных данных
Уметь:
У
1
(ОПК-1) – применять актуальную нормативную
документацию в соответствующей области знаний
Владеть:
В
1
(ОПК-1) – навыками проведения анализа научных
данных, результатов экспериментов и наблюдений
ОПК-5 способностью
объективно
оценивать результаты
исследований и
разработок,
выполненных
другими
специалистами и в
других научных
учреждениях
Знать:
З
1
(ПК-1) – инструменты и методы оценки качества и
эффективности ИС
Уметь:
У
1
(ПК-1) – распределять работы и выделять ресурсы
Владеть:
В
1
(ПК-1) – обеспечением соответствия процесса оп-
тимизации работы ИС принятым в организации или
проекте стандартам и технологиям
ПК*-1 владением
методами создания и
повышения
эффективности
функционирования
систем
автоматизированного
проектирования,
управления
качеством проектных
работ
Знать методы и средства разработки инженерных
приложений
Уметь разрабатывать инженерные приложения,
необходимые для решения узконаправленных задач,
свойственных конкретному предприятию;
способностью
участвовать в работах
по моделированию
технологических
процессов и
производств с
использованием
современных средств
разработки
алгоритмического и
программного
обеспечения
8
2 Основные понятия и принципы автоматизированного
проектирования
2.1 Понятие, методы и стадии инженерного проектирования
Инженерное проектирование – это процесс, в котором научная и тех-
ническая информация используется для создания новой системы, устройства
или машины, приносящих обществу определенную пользу [1].
Проектирование (по ГОСТ 22487-77) – это процесс составления описа-
ния, необходимого для создания еще несуществующего объекта (алгоритма
его функционирования или алгоритма процесса), путем преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта (или алгоритма его функционирования), устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на
различных языках.
Проект (от латинского «projectus» - брошенный вперед) – совокупность
документов и описаний на различных языках (графическом - чертежи, схемы,
диаграммы и графики; математическом - формулы и расчеты; инженерных
терминов и понятий - тексты описаний, пояснительные записки), необходимая для создания какого-либо сооружения или изделия.
Методы проектирования делятся на:
– прямые аналитические методы синтеза (разработаны для ряда простых типовых механизмов);
– эвристические методы проектирования - решение задач проектирова-
ния на уровне изобретений (например, алгоритм решения изобретательских
задач [2]);
– синтез методами анализа – перебор возможных решений по определенной стратегии (на пример, с помощью генератора случайных чисел, метод
Монте-Карло) с проведением сравнительного анализа по совокупности каче-
ственных и эксплуатационных показателей (часто используются методы оп-
тимизации - минимизация сформулированной разработчиком целевой функции, определяющей совокупность качественных характеристик изделия);
– системы автоматизированного проектирования или САПР – компью-
терная программная среда моделирует объект проектирования и определяет
его качественные показатели, после принятия решения - выбора проектиров-
щиком параметров объекта, система в автоматизированном режиме выдает
проектную документацию;
– прочие методы проектирования, специфические для конкретных областей [3, 4, 5].
Основные этапы традиционного проектирования включают в себя:
возникновение потребности в разрабатываемом изделии;
техническое задание на проектирование (первичное описание);
анализ существующих технических решений;
разработка функциональной схемы;
9
разработка структурной схемы;
метрический синтез механизма (синтез кинематической схемы);
статический силовой расчет;
эскизный проект;
кинетостатический силовой расчет;
силовой расчет с учетом трения;
расчет и конструирование деталей и кинематических пар (прочност-
ные расчеты, уравновешивание, балансировка, виброзащита);
технический проект;
рабочий проект (разработка рабочих чертежей деталей, технологии
изготовления и сборки);
изготовление опытных образцов;
испытания опытных образцов;
технологическая подготовка серийного производства;
серийное производство изделия.
2.2 Классификация моделей и параметров, используемых при
автоматизированном проектировании
В автоматизированных проектных процедурах вместо еще не суще-
ствующего проектируемого объекта оперируют некоторым квазиобъектом —
моделью, которая отражает некоторые интересующие исследователя свой-
ства объекта. Модель может быть физическим объектом (макет, стенд) или
спецификацией. Среди моделей-спецификаций различают упомянутые выше
функциональные, поведенческие, информационные, структурные модели
(описания). Эти модели называют математическими, если они формализова-
ны средствами аппарата и языка математики.
В свою очередь, математические модели могут быть геометрическими,
топологическими, динамическими, логическими и т. п., если они отражают
соответствующие свойства объектов.
Математическая функциональная модель в общем случае представляет
собой алгоритм вычисления вектора выходных параметров Y при заданных
векторах параметров элементов X и внешних параметров Q.
Математические модели могут быть символическими и численными.
При использовании символических моделей оперируют не значениями величин, а их символическими обозначениями (идентификаторами). Численные
модели могут быть аналитическими, т. е. их можно представить в виде явно
выраженных зависимостей выходных параметров Y от параметров внутренних X и внешних Q, или алгоритмическими, в которых связь Y, X и Q задана
неявно в виде алгоритма моделирования.
Классификацию математических моделей выполняют также по ряду
других признаков. Так, в зависимости от принадлежности к тому или иному
иерархическому уровню выделяют модели уровней системного, функцио-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]