КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА Лекция 1 Министерство сельского хозяйства РФ Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия Кафедра «Техническая механика» ассистент Абрамов Александр Евгеньевич Тема: ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ЧЕРТЕЖНО-ГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ

Литература 1. KOMPAS - 3D V9 /Руководство пользователя Том 1 – СПб.: ЗАО ASCON, – 344 с. 2. KOMPAS - 3D V9 /Руководство пользователя Том 2 – СПб.: ЗАО ASCON, – 344 с. 3. KOMPAS - 3D V9 /Руководство пользователя Том 3 – СПб.: ЗАО ASCON, – 344 с. 4. Интегрированная система тел вращения KOMPAS – Shaft - 2D. Библиотека KOMPAS – Shaft - 3D. Библиотека канавок для KOMPAS - 3D V9. /Руководство пользователя Том 3 – СПб.: ЗАО ASCON, – 208 с. 5.КОМПАС-3D: Проектирование и расчет механических систем /Кудрявцев Е.М. – М.: ДМК - Пресс, стр; 6.КОМПАС-3D V9. Двумерное проектирование / Герасимов А.А. – СПб.: БХВ-Петербург, стр.; 7.КОМПАС-3D V9. Учебный курс / Кидрук М. – СПб.: Питер, 2007 г стр. ; 8.КОМПАС-3D V9 на примерах / Талалай П.Г– СПб.: Питер, 2007 г стр.; 9. Инженерная и компьютерная графика. Практикум / Большаков В. – СПб.: Питер, 2004 г. – 592.; 10.Компас-3D. Трехмерное моделирование [Текст] / Н.Б. Ганин. - М. : ДМК Пресс, с. - ISBN : 216 р., 216 р. 11. Проектирование в системе Компас 3D V11 / Н.Б. Ганин. - М. : ДМК Пресс, с. : ил. - ISBN : 436 р., 207 р. 12. Автоматизация работы в Компас-График + CD-ROM [Текст] : научное издание / А.А. Герасимов. - СПб : БХВ-Петербург, с. : ил. - (Мастер). - ISBN : 412 р.

13. Самоучитель SolidWorks 2008 / Дударева Н., Загайко С. – СПб.: Питер, 2004 г. – 384 с.; 14. Кидрук, М.И. Видеосамоучитель. Компас-3D (+DVD). – СПб.: Питер, – 288 с.: ил; 15. Автоматизация конструкторских работ в среде компас-3D / В. В. Самсонов, Г. А. Красильникова. - 2-е изд., стер. - М. : Академия, с. - (Высшее профессиональное образование). - ISBN : 220 р. 15. SolidWorks. Оформление чертежей по ЕСКД./С.А.Каплун, Т.Ф.Худякова, И.В.Щекин – М.: SolidWorks, 2008 г. ; 16. Алямовский, А.А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике/ А.А.Алямовский, А.А.Собачкин, Е.В.Одинцов, А.И.Харитонович, Н.Б.Пономарёв. – СПб.: БХВ-Петербург, – 1040 с.: ил.; 17. Норенков А.В. Автоматизация САПР официальный сайт компании АСКОН; on-line доступ к КОМПАС-3D; официальный сайт компании solidworks; методические разработки Справка по ПО Компас – 3D v9…12;

1. Чертеж и его история Развитие технической графики в России происходило в прямой и непосредственной зависимости от развития отечественной промышленности и строительства. Первоначальным прообразом «чертежа» следует считать разметку на земле планов зданий и сооружений, а также разметку на куске материала приблизительной формы изготовляемых изделий. Для разметки на земле применялись примитивные «чертежные инструменты и приспособления»; например, для проведения окружностей применялся шнур (рис. 1); для разметки линейных размеров применялся «разметочный циркуль», состоящий из двух довольно тонких заостренных деревянных кольев, скрепленных поперечной планкой так, чтобы между их острыми концами образовался определенный размер, например 1 сажень, 1 аршин и др. (рис. 2). Рисунок 1 – Шнур для проведения окружности Рисунок 2 – Разметочный циркуль При возведении стен здания для разметки прямых углов применялся веревочный треугольник, на котором, на равном расстоянии один от другого, были завязаны 13 узлов (рис. 3 а). В том месте, где должна быть вершина прямого угла, прикрепляли колышком к земле 4-й узел; затем веревку натягивали по намеченному направлению одной из будущих стен здания и крепили колышком 8-й узел (рис. 3 б).

После этого соединяли 1-й и 13-й узлы и, натянув веревку, прикрепляли их к земле. Образовывался треугольник, стороны которого были равны 3-м, 4-м и 5-ти расстояниям между узлами. Такой треугольник прямоугольный. Сторона давала направление другой стене здания. а) б) Рисунок 3 – Веревочный треугольник В эпоху Киевской Руси уже существовали некоторые виды станков, например: станки для обработки дерева, примитивные прядильные, ткацкие станки и др. При их изготовлении необходимо было применять разметку, а для разметки были необходимы шаблоны. Такие шаблоны являлись своеобразными чертежами того времени. В документах начала XVII века впервые встречается слово «чертеж». Содержанием таких чертежей являлись планы земельных участков, водных и сухопутных дорог, а затем планы зданий (рис. 4) и целых городов.

Рисунок 4 – План земельного участка XVII века Рисунок 5 – План земельного участка XVII века В XVII веке «чертеж» стал документом, изображающим не только земельные и строительные объекты, но и различные, в том числе и металлические, изделия. При выполнении чертежей того времени применялись чертежные инструменты: «правило» - линейка, «кружало» - циркуль, «графия» - чертилка и др. Чертежи и рисунки обводили чернилами при помощи гусиных перьев. Карандаш (черный камень) стали применять только в конце XVII века. В начале XVIII века в связи с развитием, горнорудной промышленности и кораблестроения появляются маркшейдерские и корабельные чертежи, основанные на точных математических расчетах. Впервые появляется метод прямоугольных проекций. Наряду с указанными чертежами применялись чертежи заводских сооружений и заводских установок различных машин (планы и профили, рис. 5).

Во второй половине XVIII века на Преображенской шахте Змеиногорского рудника была построена К. Д. Фроловым рудоподъемная машина по чертежам, выполненным им же (рис. 6). Примерно в этот же период времени были изобретены и построены И.И.Ползуновым паровой двигатель и цилиндрические воздуходувные меха; Р.Г. Глинковым – прядильно - чесальная и «самопрялочная» машины; Е.Г.Кузнецовым - Рисунок 6 - Рудоподъемная машина К. Д. Фролова прокатный стан и др. На чертежах этих машин видно, что в то время стали при менять сборочные виды и разрезы. Чертежи механика-изобретателя И.П.Кулибина обладали тщательностью и точностью выполнения (рис. 7), обилием «изъяснения» и «описаний» и стремлением придать чертежу большую наглядность (нанесение теней и раскраска). Еще при Петре I были основаны военные и горные технические школы, в которых курс «черчения и рисования» являлся одним из основных предметов. Одновременно с появлением технических школ появляются и соответствующие учебники, в частности учебники по черчению под названием «Приемы циркуля и линейки» (1708 г.), «Практические геометрии» и др. Рисунок 7 - Чертеж механика- изобретателя И.П.Кулибина

В первой половине XIX века русским учёным Я. А. Савостьяновым была написана книга «Начальные основания разрезки камней», содержащая целый ряд геометрических построений, а затем учебник «Основания начертательной геометрии». Чертежи, того времени стали выполнять, руководствуясь выводами из начертательной геометрии. Последующими учеными, сыгравшими большую роль в деле развития технической графики, были А.X. Редер ( гг); П.Л. Чебышев ( гг); Ф.Е. Орлов ( гг); В.М. Курдюмов ( гг); Н.А. Рынин ( гг); Н.А. Глаголев ( гг.); А.И. Добряков ( гг.); Д.М. Каргин ( гг.) и многие другие. Появление первых программ для автоматизации проектирования (САПР), как и ЭВМ за рубежом и в СССР относится к началу 60-х гг XX века. Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта. В настоящее время производительность труда конструкторов-чертёжников за последние 100 лет в области чертёжно-графических работ увеличилась всего лишь в полтора раза, хотя в металлообрабатывающей промышленности за то же время она повысилась почти в 15 раз. Большой объём создания новых видов техники и технологической оснастки требует значительного увеличения производительности труда при выполнении чертежно-графических работ.

2. Классификация средств для выполнения чертёжно-графических работ Все средства для выполнения графической документации разделены на пять классов в зависимости от того, как преобразуется и передается информация к пишущему устройству от источника информации, которым является, например, человек, чертежный прибор или машина (рис.8), а каждый класс на отдельные виды. СРЕДСТВА СОЗДАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ черчение вручную вычислительные машины преобразующие чертёжные приборы автоматические чертёжные приборы чертёжные приборы При выполнении чертежа вручную источником информации является человек, пишущим устройством - карандаш, ручка, мел и т.п. Информация от человека передается непосредственно пишущему устройству без помощи каких-либо приспособлений или механизмов. Этот класс используется при составлении эскизов.

К чертежным приборам относятся те чертёжные средства, которые осуществляют направление движения пишущего устройства. В этом случае прибор является внешней памятью, несущей информацию о линии. К этому классу относятся следующие виды чертежных средств: трафареты, специальные треугольники, лекала, штриховальные приборы, механизированные рейсшины, чертёжные приборы пантографной и координатной систем, вспомогательные приборы. Преобразующие чертежные приборы по определённому закону изменяют поступающую в них информацию. Например, на основе ортогональных проекций механически строится аксонометрическое изображение. В этот класс входят следующие виды приборов: перспектографы, аксонографы, аффинографы, геометрические математические приборы. Автоматические чертежные машины являются более совершенным классом чертёжно-графических средств. Выполняя чертежи, они обладают высокой производительностью и возможностью выполнять логические операции. К чертежным машинам, автоматизирующим процесс выполнения чертежей, относятся электронно-механические и электронно-лучевые. Вычислительные машины позволяют создавать геометрические модели деталей, сборок и т.п. Графическое отображение геометрических моделей является основой для выпуска технической (конструкторской и технологической) документации.

3. Понятие о процессе проектирования Разные теоретики проектирования пытаются дать свои определения процессу проектирования изделия. Проектирование - приведение изделия в соответствие с обстановкой при максимальном учете всех требований (Грегори). Проектирование – творческая деятельность, которая вызывает к жизни нечто новое и полезное, чего ранее не существовало (Ризуик). Проектирование – процесс, который даёт начало изменениям в искусственной среде ( Дж. К. Джонс ). Под искусственной средой здесь понимаются: транспорт, здания, средства связи, изделия и т.д. Проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания данного объекта и (или) алгоритма его функционирования … (ГОСТ 22487). Автоматизированное проектирование – проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования…, осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ (ГОСТ 22487). Проектирование является сложным творческим процессом целенаправленной деятельности человека, основанным на глубоких научных знаниях, использовании практического опыта и навыков в определенной сфере. Функции между человеком и ЭВМ должны быть рационально распределены. Человек должен решать задачи творческого характера, а ЭВМ – задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма рутинного характера.

Преимуществом автоматизированного проектирования является возможность проводить на ЭВМ эксперименты на математических моделях. Это значительно сокращает дорогостоящее физическое моделирование. Математические модели при этом должны удовлетворять требованиям универсальности, точности, адекватности и экономичности. Система автоматизированного проектирования (САПР) – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователей системы), выполняющий автоматизированное проектирование (ГОСТ 22487). Объектами проектирования в САПР могут быть здания, сооружения, металлорежущие станки и т.д., в САПР ТП – технологические процессы. Проектирование по содержанию – это процесс переработки определенного объема различной информации. Входами такого процесса (рис. 8) являются: Замысел (цель) проектирования, выраженный в виде определенной совокупности условий и требований, которым должен удовлетворять искомый объект. Рисунок 8 – Классификация средств создания технической документации

Средства, т.е. факторы, которыми можно варьировать при проектировании. Выход процесса – такое описание искомого объекта, которое необходимо и достаточно для материально – вещественного воплощения идеи проектирования в конкретный физический объект (т.е. его информационная модель в виде схем, чертежей, спецификаций, технологических карт и другой документации). Таким образом, смысл процесса проектирования в любой САПР независимо от объекта проектирования один и тот же: получить в соответствие с замыслом такую информационную систему – модель, которая позволяет создать систему – оригинал, полностью соответствующую замыслу.

4. Стадии проектирования научно- исследовательских работ (НИР)эскизного проекта опытно-конструкторских работ (ОКР)технического, рабочего проектовиспытаний опытных образцов или опытных партий Стадии проектирования - наиболее крупные части проектирования, как процесса, развивающегося во времени. В общем случае выделяют стадии научно- исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструкторских работ (ОКР), технического, рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытных партий. Стадию НИР иногда называют предпроектными исследованиями или стадией технического предложения. Очевидно, что по мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов. Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием, является понятие этапа проектирования. Стадии (этапы) проектирования подразделяют на составные части, называемые проектными процедурами. Примерами проектных процедур могут служить подготовка деталировочных чертежей, анализ кинематики, моделирование переходного процесса, оптимизация параметров и другие проектные задачи. В свою очередь, проектные процедуры можно расчленить на более мелкие компоненты, называемые проектными операциями, например, при анализе прочности детали сеточными методами операциями могут быть построение сетки, выбор или расчет внешних воздействий, собственно моделирование полей напряжений и деформаций, представление результатов моделирования в графической и текстовой формах. Проектирование сводится к выполнению некоторых последовательностей проектных процедур - маршрутов проектирования.

5. Техническое задание на проектирование объекта В ТЗ на проектирование объекта указывают, по крайней мере, следующие данные. 1. Назначение объекта. 2. Условия эксплуатации. 2. Условия эксплуатации. Наряду с качественными характеристиками (представленными в вербальной форме) имеются числовые параметры, называемые внешними параметрами, для которых указаны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды, внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т.п. 3. Требования к выходным параметрам 3. Требования к выходным параметрам, т.е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде условий работоспособности где y i - i-й выходной параметр, R {равно, меньше, больше, больше или равно, меньше или равно} - вид отношения; T i - норма i-го выходного параметра. В случае R = равно нужно задать требуемую точность выполнения равенства. Пример технического задания на проектирование: расход топлива на 100 км пробега автомобиля - 8 л: наработка до капитального ремонта мото-ч; Грузоподъёмность - 10 т/ч.

6. Состав и структура САПР Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем (рис. 9). Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие. Рисунок 9 - Структура программного обеспечения САПР

Проектирующие Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах. Обслуживающие Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными (PDM - Product Data Management), управления процессом проектирования (DesPM - Design Process Management), пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided Software Engineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

7. Виды обеспечения САПР Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения: техническое (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства); математическое (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования; програмное (ПО), представляемое компьютерными программами САПР; информационное (ИО), состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также других данных, используемых при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, а БД вместе с СУБД носит название банка данных (БнД); лингвистическое (ЛО), выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР; методическое (МетО), включающее различные методики проектирования, иногда к МетО относят также математическое обеспечение; организационное (ОО), представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.

8. Виды САПР Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков (комплексности решаемых задач): По приложениям По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР: САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или MCAD (Mechanical CAD) системами; САПР для радиоэлектроники. Их названия - ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation) системы; САПР в области архитектуры и строительства. Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т.п. По целевому назначению По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так, в составе MCAD появляются CAE/CAD/CAM системы: САПР функционального проектирования, иначе САПР-Ф или CAE (Computer Aided Engineering) системы; конструкторские САПР общего машиностроения - САПР-К, часто называемые просто CAD системами;

технологические САПР общего машиностроения - САПР-Т, иначе называемые автоматизированными системами технологической подготовки производства АСТПП или системами CAМ (Computer Aided Manufacturing). По масштабам По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например, комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений. По характеру базовой подсистемы По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР: 1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения. В настоящее время появились унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР, это ядра Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ACIS фирмы Intergraph. 2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления и т.п. Часто такие САПР относятся к системам CAE. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD. 4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

9. Функции и характеристики CAD/CAM/CAM-систем Функции CAD-систем Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относятся черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D - получение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное преобразование 2D и 3D моделей. Среди CAD-систем различают легкие и тяжелые системы. Первые из них ориентированы преимущественно на 2D графику, сравнительно дешевы и менее требовательны в отношении вычислительных ресурсов. Вторые ориентированы на геометрическое моделирование (3D), более универсальны, дороги, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей. Основные функции CAM-систем Основные функции CAM-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ (NC - Numerical Control), расчет норм времени обработки. Функции CAЕ - систем Функции CAЕ - систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных CAE - систем, прежде всего включают программы для следующих процедур:

моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ; расчет состояний и переходных процессов на макроуровне; имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри. Наиболее известны следующие CAE/CAD/CAM-системы, предназначенные для машиностроения: -Тяжелые системы -Тяжелые системы: Unigraphics (EDS Unigraphics); Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC - Parametric Technology Corp.), CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др. -Легкие системы -Легкие системы: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (Про Про Группа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С.Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо (НИВЦ АСК, Москва). -Системы, занимающие промежуточное положение -Системы, занимающие промежуточное положение (среднемасштабные): Cimatron, Microstation (Bentley), Euclid Prelude (Matra Datavision), T-FlexCAD (Топ Системы, Москва) и др. C ростом возможностей персональных ЭВМ грани между тяжелыми и легкими CAD/CAM-системами постепенно стираются. Примеры систем моделирования полей физических величин в соответствии с МКЭ: Nastrаn, Ansys, Cosmos, Nisa, Moldflow. Примеры систем моделирования динамических процессов на макроуровне: Adams и Dyna - в механических системах, Spice - в электронных схемах, ПА9 - для многоаспектного моделирования, т.е. для моделирования систем, принципы действия которых основаны на взаимовлиянии физических процессов различной природы.