Демонстрируется эффективная компьютерная поддержка курсов черчения, информатики и геометрии на базе свободно распространяемой системы КОМПАС-3D LT. Описываются общие сведения и работа с системой, приводятся основные понятия трехмерного моделирования геометрических объектов. Подробно рассматриваются создание трехмерных моделей деталей и их проекций, нанесение размеров, изображение резьбовых соединений, создание сборок. Показаны возможности применения КОМПАС-3D LT в решении задач графической обработки информации и геометрического трехмерного моделирования. Приводятся примеры решения планиметрических задач и создания 3D-моделей элементарных геометрических тел. В приложениях приводятся эскизные и тестовые задания. DVD содержит дистрибутивы рассматриваемых программ и десятки вариантов практических заданий по всем упоминаемым в книге темам.
Для студентов и преподавателей вузов и колледжей, учащихся и учителей общеобразовательных школ, руководителей курсов повышения квалификации.
Введение
Группа компаний «АСКОН» — ведущий российский разработчик и интегратор решений в области систем автоматизированного проектирования (САПР). В 2001 г. «АСКОН» выпустил некоммерческую систему для трехмерного моделирования КОМПАС-3В LT.
В 2008 г. в рамках национального проекта «Образование» группа компаний «АСКОН» оснастила все школы России учебной САПР КОМПАС-3D LT. В 6100 общеобразовательных учреждений России, реализующих инновационные программы обучения, была поставлена профессиональная САПР КОМПАС-3D. Более 1000 высших и средних учебных заведений применяют профессиональное программное обеспечение в обучении студентов и научных исследованиях. В учебных аудиториях система установлена более чем по 45 000 лицензиям.
Учебная система КОМПАС-3D LT предназначена для трехмерного моделирования деталей и выпуска конструкторской документации. Она распространяется свободно, не имеет ограничений по времени работы и количеству тиражируемых копий и может использоваться на домашних компьютерах.
По данным «АСКОН» (
www.ascon.ru
) система КОМПАС-3D LT используется в школах в рамках курсов информатики, черчения, геометрии. Однако масштаб эффективной компьютерной поддержки преподавания перечисленных школьных курсов на базе система КОМПАС-3D LT несопоставимо мал по сравнению с потенциально возможным. Это объясняется и отсутствием соответствующей учебной литературы. Издание этой книги частично ликвидирует недостаток учебной литературы для общеобразовательных учреждений по компьютерному черчению и геометрическому моделированию.
Концептуальные особенности книги
Особенности книги, на которые следует обратить внимание:
□ книга знакомит с современным подходом к автоматизированному проектированию изделий, когда необходимая информация, требуемая для их создания, формируется на основе трехмерного моделирования этих изделий;
□ предлагаемые учебные задания основаны на использовании трехмерного твердотельного моделирования и в наилучшей степени способствуют развитию образного мышления;
□ предметом книги является решение задач школьного курса «Черчение» средствами двумерной и трехмерной компьютерной графики;
□ предметом книги является привнесение в известные учебные задачи блока «Технология обработки графической информации» курса «Информатика» элементов трехмерного геометрического моделирования;
Для кого предназначена эта книга?
Книга обеспечивает компьютерную поддержку курсов, в которых рассматривается применение информационных графических технологий. Наиболее полно представлена поддержка изучения курсов чертежно-графической направленности:
□ в общеобразовательных школах: 15 заданий в 10 вариантах предназначены для выполнения их в компьютерных классах или на домашних компьютерах;
□ на подготовительных отделениях вузов;
□ на курсах повышения квалификации учителей-предметников, а также в педагогических вузах при подготовке по специальности «Изобразительное искусство и черчение» или «Дизайн»;
□ в школах и при индивидуальном использовании дистанционных форм изучения курса «Черчение».
Структура книги
Пособие состоит из введения, четырех частей и имеет 5 приложений:
□ в
части I
рассмотрены общие вопросы работы с системой КОМПАС-3D LT;
□
часть II
знакомит с решением классических, чертежно-графических задач с помощью 2D- и SD-редакторов;
□ в
части III
показано, что рассмотрение элементов трехмерного геометрического моделирования в разделе «Технология обработки графической информации» курса «Информатика» может и оживить курс, и сделать его более современным и содержательным;
□
часть IV
знакомит с возможностью применения свободно распространяемого графического редактора для решения планиметрических и стереометрических задач;
Об авторе
Большаков Владимир Павлович — почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, работает доцентом на кафедре «Прикладной механики и инженерной графики» СПГЭТУ «ЛЭТИ» и с 1979 г. преподает общепрофессиональные дисциплины геометрической и графической направленности. Автор около 170 печатных работ, в том числе 48 авторских свидетельств СССР, 2 монографий, 16 методических указаний, 14 учебных пособий для студентов вузов, 4 учебных пособий для учителей и школьников. Большинство учебно-методических изданий содержат результаты разработок по компьютерной поддержке преподавания геометрических и графических дисциплин. В течение нескольких лет проводил на базе Регионального учебного центра информатизации образования Санкт-Петербурга курсы повышения квалификации учителей-предметников по черчению, геометрии и информатике.
Большаковым В. П. получено свидетельство об официальной регистрации базы данных № 990059 «Электронный сборник задач по компьютерной графике». Каталог этого сборника с 1999 г. размещен на университетском сайте (
www.eltech.ru/misc/graph/index.html
). В настоящее время по указанному адресу размещена новая расширенная четвертая версия каталога, в котором содержатся примеры представления исходных данных и выполнения 32 заданий по различным темам. Организатор проведения в 2000/2009 гг. 10 олимпиад студентов вузов Санкт-Петербурга по инженерной и компьютерной графике (
www.eltech.ru/news/graph/index.htm
).
По итогам первого Всероссийского конкурса на лучшую учебно — методическую разработку по применению САПР КОМПАС в 2004 г. награжден специальным дипломом «За разработку электронных учебных пособий по САПР КОМПАС». По итогам второго Всероссийского конкурса учебнометодических разработок по применению систем КОМПАС в учебном процессе в 2005 г. награжден дипломом 2-й степени. Сертифицированный преподаватель по системе КОМПАС-3D 2-й ступени специализации «Машиностроение».
Часть I
Работа с системой автоматизированного проектирования КОМПАС-3D LT
Глава 1
Принципы использования двумерных редакторов
С помощью двумерных редакторов CAD-систем (Computer Aided Design — конструирование, поддержанное компьютером) создается большинство графических конструкторских документов. Учитывая, что базовые двумерные средства черчения позволяют автоматизировать значительную часть конструкторских работ, кратко рассмотрим общие принципы и возможности конструирования и черчения с помощью двумерных графических редакторов.
1.1. Режимы работы в двумерном редакторе чертежей
В редакторе чертежей пользователь получает два вида информации: символьные сообщения системы и синтезируемое графическое изображение. К символьным сообщениям относятся запросы системы, указатели режимов (состояний) системы, отображения текущих координат курсора.
Курсор является многофункциональным инструментом, используемым как для рисования (по аналогии с карандашом, циркулем и линейкой), так и для управления системой путем выбора команд, указания подлежащих той или иной операции чертежных элементов и т. д.
Режимы рисования, реализуемые в двумерных редакторах, могут значительно облегчить и ускорить создание и редактирование изображений, обеспечивая при этом и высокую точность построений.
Режим
Сетка
наиболее эффективен для получения изображений с регулярной структурой. Такими изображениями могут быть, например, чертежи простых валов. Квадратная или прямоугольная сетка получается на экране после ввода соответствующей команды и значений шагов сетки. Любые элементы, которые строятся на этой сетке, будут автоматически «захватывать» ближайшие узлы (рис. 1.1,
а).
Режим
Орто
обеспечивает построение горизонтальных и вертикальных отрезков (рис. 1.1,
б).
Если сетка шаговой привязки повернута, направление действия режима
Орто
изменяется на угол ее поворота.
1.2. Создание изображений. Графические примитивы
Команды создания графических примитивов позволяют строить единые и неделимые объекты различными типами линий и разными цветами.
Точка,
как правило, является вспомогательным средством для маркировки и последующего нахождения определенной позиции в системе координат. В большинстве систем точку можно изобразить маркерами различных типов и размеров. На твердую копию точечный элемент, как правило, не выводится.
Прямая
является наиболее часто используемым графическим примитивом. Исходные элементы, с помощью которых строятся прямые, могут задаваться различными способами (табл. 1.1).
1.3. Редактирование изображений
Не менее важными, чем команды ввода геометрических примитивов, являются команды редактирования, которые можно разделить на три группы:
□ преобразования объектов;
□ удаление выбранных объектов;
□ коррекции параметров и свойств объектов.
При использовании команд редактирования система запрашивает выбор одного или нескольких объектов для обработки. Этот комплект объектов называется набором выбора. Можно интерактивно добавлять объекты в комплект или убирать их из комплекта. Выбранные объекты система высвечивает на экране. Самым простым и эффективным является выбор (выделение) с помощью мыши. Выбор объектов осуществляется следующими наиболее распространенными способами:
1.4. Оформление элементов чертежа
Чертеж, как правило, состоит из изображения изделия, выполненного в ортогональных проекциях, которое дополняется вспомогательной графической и текстовой информацией. Форма представления этой информации должна отвечать требованиям действующих стандартов ЕСКД.
1.4.1. Нанесение размеров
Размеры выражают основные геометрические характеристики объектов. Размеры бывают четырех основные типов: линейные, угловые, диаметральные, радиальные. Линейные размеры делятся на горизонтальные, вертикальные, параллельные, повернутые. Различают способы нанесения размеров от одной или нескольких общих баз.
Двумерные редакторы предоставляют средства нанесения размеров, которые существенно упрощают этот трудоемкий процесс. Наиболее распространенным является режим полуавтоматического нанесения размеров. В этом режиме пользователю необходимо указать нужный элемент и установить размерное число в требуемую точку. На основе этих данных система автоматически формирует выносные и размерные линии и рассчитывает размерное число. Вид размеров и способов их ввода в базу данных определяется набором размерных переменных. Размерными переменными можно управлять. В большинстве систем предусматривается возможность создания ассоциативных размеров, которые автоматически пересчитываются и перерисовываются при редактировании соответствующих фрагментов изображений.
Размеры линейные.
В табл. 1.5 перечислены типы линейных размеров, полуавтоматическое нанесение которых обеспечивается в двумерных редакторах. При вводе обычного (одиночного) горизонтального или вертикального размера необходимо указать точки 1 и 2 выхода выносных линий и точку 3 пересечения размерной линии со второй выносной линией. Система автоматически располагает выносные линии параллельно друг другу, а размерную линию — перпендикулярно им. Если длина размерной линии меньше суммарной длины двух стрелок, стрелки автоматически будут сформированы снаружи выносных линий.
Если нужно, чтобы размерная надпись сформировалась автоматически с простановкой квалитета и значений допусков, то пользователю следует выбрать из меню параметров задание квалитета.
1.4.2. Штриховка замкнутых областей
Штриховка замкнутых областей на чертежах в двумерных редакторах выполняется автоматически после задания границ и параметров штриховки. Границы штриховки, как правило, можно задавать вручную и (или) автоматически. Автоматический способ задания применяется, когда на чертеже имеется замкнутый контур из уже введенных элементов, ограничивающий штрихуемую область. В этом случае достаточно лишь указать точку внутри штрихуемого контура. Если такого контура нет, то можно вручную указать уже имеющиеся элементы, обозначающие границу области штриховки, а недостающие для ее замыкания части дорисовать дополнительно. Можно использовать интерактивный выбор границы «по стрелке», когда после указания первого элемента будут последовательно анализироваться дальнейшие, возможные направления обхода контура штриховки и пользователю достаточно выбрать нужные. Штриховка производится от границ штрихуемой области внутрь. Если внутри штрихуемого объекта нет других объектов, то штриховка выполняется элементарно. Если же имеются замкнутые вложенные области, то при штриховании в отдельных системах может быть задан один из трех стилей (рис. 1.4).
После указания контура штриховки система запрашивает ее параметры (тип, угол наклона и шаг). Можно задавать различные цвета штриховок. В табл. 1.6 представлены 7 основных типов штриховок (ГОСТ 2.308-68), которые могут быть выполнены наряду с другими типами.
В некоторых системах, при автоматическом задании области штриховки, она должна ограничиваться линиями определенных типов.
1.4.3. Выполнение чертежных символов
При выполнении конструкторской документации чертежные символы применяются в описаниях изделий, изготовление которых не определяется однозначно их формой и размерами. Такие символы, как правило, состоят из комбинации графических и текстовых элементов.
Линии-выноски
выполняют по правилам ГОСТа 2.316-68. CAD-система с помощью пиктографического меню может предложить на первом этапе выбор необходимого типа линии-выноски, например, из набора, показанного на рис. 1.5.
На втором этапе может быть реализован выбор необходимого типа начала выноски, в частности, для обозначения сварки, пайки, клейки и т. д. (рис. 1.6).
1.4.4. Формирование и редактирование текстовой информации
Возможности двумерных редакторов по работе с текстом, как правило, существенно перекрывают минимальные требования по вводу и редактированию текстовой информации, обеспечивающие оформление конструкторской документации. Тексты могут быть выполнены различными типами шрифта, могут растягиваться, сжиматься, центрироваться, наклоняться, зеркально отображаться, вычерчиваться в вертикальной колонке и т. д. В технических чертежах все надписи можно условно разделить на пять основных групп:
1. Отдельные текстовые строки.
2. Надписи размеров и технологических обозначений.
3. Надписи в таблицах.
4. Технические требования.
Глава 2
Общие сведения о системе КОМПАС-3D LT
Система КОМПАС-3В LT предназначена для создания трехмерных параметрических моделей деталей и последующего полуавтоматического выполнения их рабочих чертежей, содержащих все необходимые виды, разрезы и сечения.
Система ориентирована на формирование моделей изделий, содержащих как типичные, так и нестандартные, конструктивные элементы.
2.1. Основные типы документов
В терминах КОМПАС-3В LT любое изображение, которое можно построить средствами системы, принято называть
документом.
С помощью КОМПАС-3D LT можно создавать документы трех типов: детали, плоские чертежи и фрагменты. В случаях, когда идет речь о трехмерных изображениях деталей, употребляется еще один термин —
модель.
Построение моделей выполняется средствами модуля трехмерного моделирования.
Деталь
— модель изделия, изготавливаемого из однородного материала, без применения сборочных операций. Детали хранятся в файлах с расширением m3d.
Чертеж
— основной тип графического документа в КОМПАС-3D. Чертеж содержит графическое изображение изделия, основную надпись, рамку, иногда — дополнительные объекты оформления (знак неуказанной шероховатости, технические требования и т. д.). Чертеж КОМПАС-3D всегда содержит один лист заданного пользователем формата. В файле чертежа КОМПАС-3D могут содержаться не только чертежи (в понимании ЕСКД), но и схемы, плакаты и прочие графические документы. Чертежи хранятся в файлах с расширением cdw.
Фрагмент
— вспомогательный тип графического документа в КОМПАС-3D. Фрагмент отличается от чертежа отсутствием рамки, основной надписи и других объектов оформления конструкторского документа. Он используется для хранения изображений, которые не нужно оформлять как отдельный лист (эскизные прорисовки, разработки и т. д.). Кроме того, во фрагментах также хранятся созданные типовые решения для последующего использования в других документах. Файл фрагмента имеет расширение frw.
2.2. Основные элементы интерфейса
По сравнению с традиционными Windows-приложениями в КОМПАС-3В LT наложены ограничения на одновременную работу с несколькими документами. Таким образом, в главном окне системы может быть открыт только один документ: чертеж, фрагмент или деталь.
Команды вызываются из страниц Главного меню, контекстного меню или при помощи кнопок на Инструментальных панелях.
При работе с документом любого типа на экране отображаются Главное меню и несколько панелей инструментов:
Стандартная, Вид, Текущее состояние, Компактная.
Главное меню
системы служит для вызова команд (рис. 2.1). Вызов некоторых из них возможен также с помощью кнопок Инструментальных панелей. По умолчанию Главное меню располагается в верхней части окна.
2.3. Контекстные меню
Команды для выполнения многих часто используемых действий можно вызвать из контекстного меню.
Эти меню появляются на экране при нажатии правой кнопки мыши. Состав меню будет разным для различных ситуаций. В нем будут собраны наиболее типичные для данного момента работы команды.
Например, во время создания линейного размера при щелчке правой кнопкой мыши на экране появится меню, показанное на рис. 2.7.
Таким образом, при выполнении различных действий можно быстро обратиться к нужной команде не только через Главное меню или Инструментальные панели, но и через контекстные меню, причем последний способ является наиболее быстрым.
2.4. Управление изображением модели
Для управления масштабом изображения модели предназначены команды
Увеличить масштаб рамкой, Увеличить масштаб, Уменьшить масштаб, Масштаб по выделенным объектам, Приблизить/отдалить, Показать все.
Эти команды расположены в меню
Вид
, а кнопки для их быстрого вызова — на панели
Вид
.
Можно управлять коэффициентом изменения масштаба, использующимся при выполнении команд
Увеличить масштаб
и
Уменьшить масштаб
. Для того чтобы настроить его величину, вызовите из меню
Сервис
команду
Настройка интерфейса
, в появившемся диалоговом окне выберите пункт
Редактор моделей | Управление изображением
. Введите в поле
Коэффициент изменения масштаба
нужное значение коэффициента. Выйдите из диалога, нажав кнопку
OK
. После этого масштабирование изображения будет производиться с указанным вами коэффициентом.
Чтобы передвинуть изображение модели в окне, нажмите кнопку
Сдвинуть
на панели
Вид:
Или вызовите соответствующую команду из меню
Вид
.
Глава 3
Введение в трехмерное моделирование деталей
Трехмерное твердотельное моделирование является единственным средством, которое обеспечивает создание наиболее полной электронной модели изделия. ГОСТ 2.052-2006 (Электронная модель изделия) устанавливает следующие термины с соответствующими определениями:
□
электронная геометрическая модель
— модель, описывающая геометрическую форму, размеры и иные свойства изделия, зависящие от формы и размеров;
□
твердотельная модель
— трехмерная электронная модель, представляющая форму изделия как результат композиции заданного множества геометрических элементов с применением элементов булевой алгебры к этим геометрическим элементам;
□
геометрический элемент
— линия, точка, плоскость, поверхность, геометрическая фигура и геометрическое тело.
Содержание раздела дает представление о возможностях твердотельного моделирования деталей в системе КОМПАС-3В LT.
3.1. Формирование основания модели детали
В общем случае порядок создания модели включает формирование основания, приклеивание и вырезание дополнительных элементов, построение массивов элементов и зеркальное копирование, создание дополнительных конструктивных элементов (рис. 3.1).
Формирование отдельных трехмерных объектов начинается с создания
эскиза
— плоской фигуры, на основе которой образуется объемное тело. Эскиз может располагаться в одной из стандартных плоскостей проекций, на плоской грани существующего тела или во вспомогательной плоскости, положение которой задано пользователем. Эскиз создается на плоскости стандартными средствами двумерного редактора и состоит из одного или нескольких контуров. При построении эскиза под контуром понимается любой линейный графический объект или совокупность последовательно соединенных линейных объектов (отрезков, ломаных, дуг и т. д.). Основные требования к контурам в эскизах:
□ контуры в эскизе не пересекаются и не имеют общих точек;
□ контур в эскизе изображается стилем линии
Основная
;
3.2. Добавление и удаление материала детали
Добавление материала
детали — это создание в ней новых тел, а также приклеивание к имеющемуся телу (телам) новых элементов. Тело детали — это область, ограниченная гранями детали. Считается, что эта область заполнена однородным материалом детали.
Удаление материала
детали — это вырезание формообразующих элементов из тел.
Как новое тело, так и приклеиваемый или вырезаемый элемент может являться элементом одного из следующих типов:
□ элемент выдавливания;
□ элемент вращения;
3.3. Дополнительные конструктивные элементы
К этим командам относятся операции создания фасок, скруглений, круглых отверстий, уклонов и ребер жесткости. Вызвать их можно из меню
Операции
(рис. 3.3).
□ Команда
Фаска
позволяет создать фаску на указанных ребрах детали (рис. 3.4, б):
3.4. Система координат и плоскости проекций
В каждом файле детали существует система координат и проекционные плоскости, определяемые этой системой. Названия этих объектов появляются в окне
Дерево модели
после создания нового файла детали. Окно
Дерево модели
является графическим интерфейсом для управления процессом создания и редактирования модели изделия. Изображение системы координат появляется посередине окна построения модели; чтобы увидеть изображение проекционных плоскостей, нужно выделить их в Дереве построений.
Плоскости показываются на экране в виде прямоугольников, лежащих в этих плоскостях; такое отображение позволяет увидеть расположение плоскости в пространстве. Плоскости проекций и систему координат невозможно удалить из файла модели. Их можно переименовать, а также отключить их показ в окне модели.
В системе КОМПАС-3В при ориентации
Изометрия XYZ
координатные оси и плоскости проекций расположены так, как показано на рис. 3.8, а. Эта ориентация не совпадает с требованиями ГОСТа 2.317-69 (рис. 3.8, б).
При выполнении чертежа детали необходимо правильно выбрать главное изображение. Согласно ГОСТу 2.305-68, в качестве главного принимается изображение на фронтальной плоскости проекций. Предмет располагают относительно фронтальной плоскости проекций так, чтобы изображение на ней давало наиболее полное представление о форме, размерах и функциональном назначении предмета.
