Создание геометрических моделей способом графического редактирования

Способ графического редактирования, в сущности, является заменой инструментов ручного проектирования (чертежной доски, линейки, циркуля, карандаша, стирательной резинки и др.)

электронными средствами (вместо чертежной доски используется экран дисплея, вместо линейки и других чертежных инструментов - технические средства ЭВМ и соответствующее программное обеспечение)

. Поэтому этот способ часто называют "электронным кульманом". При этом основным инструментом является графический редактор – специальная программа, обеспечивающая создание геометрических моделей методом синтеза из элементов и фрагментов.

В качестве элементов в графическом редакторе используются, так называемые, графические примитивы – геометрические модели, которые можно создавать, непосредственно используя соответствующие команды графического редактора.

Для построения двухмерных (плоских) геометрических моделей, в основном, используются следующие примитивы: точка, отрезок, полилиния, окружность, дуга, эллипс, многоугольник, текстовые символы. Каждая характерная точка двухмерного примитива имеет две координаты в компьютерном представлении.

Для построения трехмерных (объемных) геометрических моделей, кроме отмеченных двухмерных, используются следующие трехмерные примитивы: полилиния в трехмерном пространстве, поверхность вращения, поверхность переноса, поверхность, образованная непрозрачными четырехугольниками, произвольно расположенными в пространстве и соединенными между собой общими вершинами, поверхность в виде сети, натянутой на две образующие кривые, поверхность в виде сети, натянутой на четыре смыкающиеся граничные кривые, поверхность, построенная по точкам, произвольно расположенным в пространстве, трехмерные тела (параллелепипед, конус, вогнутая полусфера, выпуклая полусфера, пирамида, шар, тор, клин). Каждая характерная точка трехмерного примитива имеет три координаты в компьютерном представлении.

Работа в графическом редакторе осуществляется с помощью команд, которые могут подаваться с помощью меню (текстовых и графических).

Текстовые меню подразделяются на экранные и ниспадающие (в настоящее время в подавляющем большинстве САПР используются ниспадающие меню, которые могут быть вложенными).

Графические меню (инструменты) представляют собой кнопки с пиктограммами и часто группируются в панели инструментов (стандартные и пользовательские). Режимы выполнения команд (так называемые, опции) часто выбираются с помощью вылетающих меню.

Для одновременного ввода нескольких команд используются диалоговые окна. Используются также всплывающие меню.

Для задания положения точек в САПР используется система декартовых координат, называемая Мировой системой координат (МСК), с помощью которой однозначно определяется положение любой точки изображения на экране монитора компьютера. МСК определена в системе и проектировщик не может ее изменить. Однако проектировщик может создать свою собственную Пользовательскую систему координат (ПСК), для которой имеется возможность произвольного выбора начала координат, масштабного коэффициента и угла поворота относительно МСК. Для ввода координат точек удобно пользоваться ПСК, так как в этом случае за начало ПСК выбирается базовая точка проектируемого изображения, относительно которой задаются координаты всех остальных точек изображения без пересчета значений координат.

Ввод координат точек графических объектов может осуществляться с помощью клавиатуры в абсолютных, относительных и полярных координатах. Для ввода координат используется также манипулятор "мышь", когда точное указание координат несущественно или при использовании режима привязки создаваемых графических объектов к характерным точкам. Точки могут использоваться в качестве вспомогательных элементов при выполнении графических построений или в качестве элементов чертежей. Они могут быть проставлены автоматически равномерно по кривой и в местах пересечения кривых.

Могут также выбираться различные стили точек (перекрестие, кружок, звездочка и др.).

Ввод вспомогательных прямых осуществляется для вспомогательных построений. Используются следующие разновидности вспомогательных прямых: горизонтальная, вертикальная, параллельная другой прямой, перпендикулярная к другой прямой, касательная к кривой, биссектриса угла.

Ввод отрезков аналогичен вводу вспомогательных прямых, но дополнительно выбирается стиль отрисовки отрезка требуемой линией: основной, тонкой, осевой, пунктирной и др. (стиль линии может быть создан проектировщиком).

Ввод окружностей может осуществляться с осями и без осей. Используются следующие разновидности режима ввода окружностей:

по центру и точке, по двум или трем точкам, с центром на элементе, касательная к одной, двум и трем кривым.

Ввод дуг окружностей может осуществляться по центру и двум точкам, по трем точкам, как касательная к кривой, по двум точкам, по двум точкам и углу раствора.

Ввод эллипсов может выполняться с осями или без них по центру и полуосям, по диагонали габаритного прямоугольника, по центру и углу габаритного прямоугольника, по трем углам описанного параллелограмма, по центру и трем точкам, касательный к двум кривым.

Ввод лекальных кривых осуществляется указанием опорных точек, по которым может быть построена кривая Безье или NURBS-кривая (нерегулярный рациональный В-сплайн). Кривые могут быть разомкнутыми или замкнутыми.

Ввод ломаной кривой, состоящей из отрезков, осуществляется последовательным заданием опорных точек отрезков.

Непрерывный ввод объектов позволяет вычертить непрерывную последовательность отрезков, дуг и сплайнов (отрезок, параллельный отрезок, отрезок, касательный к кривой, дуга по трем точкам, дуга, касательная к кривой, кривая Безье, NURBS-кривая). Причем, можно изменять текущий стиль линии и вычерчивать элементы различного стиля, не прерывая ввода последовательности.

Ввод штриховок осуществляется путем задания замкнутых границ штрихуемых областей, стиля и параметров штриховки. Замкнутая граница может быть выбрана автоматически путем указания курсором любой точки внутри замкнутой штрихуемой области или, если такая область отсутствует, можно указать ее путем ручного рисования границ.

Построение фасок и скруглений выполняется указанием сопряженных кривых, выбором их требуемых параметров и режима построения.

Ввод многоугольников может осуществляться с осями или без осей, по диагональным точкам, по центру и углу, по вписанной или описанной окружности.

Управление графическим изображением на экране (электронное зуммирование) обеспечивает возможность уменьшения или увеличения масштаба изображения в окне экрана дисплея с целью удобства работы с чертежами различных форматов и насыщенности изображений. Возможно увеличение (уменьшение) изображения рамкой, в фиксированное количество раз или плавно, сдвиг изображения в окне (панорамирование) с помощью курсора или с использованием линеек прокрутки, отображение изображения в размер экрана, обновление изображения, редактирование характерных точек изображения и удаление объектов изображения.

Привязки используются для точной установки курсора в характерные точки графического изображения с помощью мыши. Привязки могут быть глобальными и локальными. Глобальные привязки настраиваются по умолчанию и действуют до момента изменения их настройки, а локальные привязки действуют однократно. Основные виды привязок: ближайшая характерная точка, пересечение кривых, середина, центр, касательная, выравнивание, точка на кривой, угловая привязка, по сетке.

Редактирование изображений позволяет осуществлять их изменение (модификацию). Является основным режимом в процессе создания изображений и имеет следующие основные разновидности: сдвиг, поворот, масштабирование, симметричное отображение, копирование (вдоль кривой, по сетке, по концентрической сетке), деформация (со сдвигом, поворотом, масштабированием) объектов, построение эквидистанты, разбиение на несколько частей, усечение и выравнивание кривых, удаление объектов (вспомогательных объектов, кривых, фасок, скруглений, объектов оформления, областей), преобразование объектов (сборка контура, преобразование в NURBS-кривые).

Измерения и расчеты позволяют оперативно получить следующие характеристики созданных графических изображений: расстояние между двумя точками и кривыми, от точки до кривой, угол между двумя прямыми, длину кривой, площадь, координаты центра тяжести, осевые и центробежные моменты инерции замкнутой области, массу объекта проектирования.

Ввод объектов оформления осуществляется с помощью средств создания и редактирования текстовых фрагментов (используется встроенный текстовый процессор), таблиц, линейных и угловых размеров, технологических обозначений (допусков формы и расположения поверхностей, шероховатости, обозначений баз, линий выносок, клеймения, маркировки), линий разрезов, направлений взгляда, местных видов, обозначений позиций, технических требований, оформления спецификаций и основной надписи.

Создание именованных групп осуществляется путем объединения отдельных элементов изображения под выбранным именем. Элементы группы можно редактировать, причем каждый элемент группы может быть одновременно включен в несколько именованных групп. Группу при необходимости можно разрушить.

Создание макроэлементов заключается в объединении нескольких элементов в единый объект. Для редактирования макроэлемента его необходимо разрушить. Макроэлементы используются для создания типовых изображений (например, изображений в схемах).

При создании геометрических моделей широко используются фрагменты – графические изображения, представляющие группы примитивов, объединенные в один составной объект, имеющий оригинальное имя. Фрагменты не оформляются в виде чертежей, т.е. отсутствует формат, основная надпись, неуказанная шероховатость поверхностей, невозможно создание видов и масштаб изображения равен единице. Фрагменты используются для хранения и использования типовых решений путем вставки их в другой документ (чертеж или фрагмент). Такими фрагментами могут быть, например: условные обозначения элементов схем (кинематических, гидравлических и др.), конструктивные и технологические обозначения в чертежах и др. Очевидно, что использование таких фрагментов позволяет значительно увеличить производительность создания изображений объектов в случаях их частого и многократного использования. Для этих целей в САПР создаются библиотеки фрагментов.

Возможны следующие варианты вставки фрагментов в документы:

- "россыпью", когда связь между вставленным в документ фрагментом и фрагментом-источником теряется;

- "взять в документ", когда содержимое фрагмента копируется в документ и хранится как единое целое, причем связь с фрагментом-источником теряется, за исключением информации о его имени и пути к файлу. Используется в том случае, когда изменения в изображении фрагмента должны отражаться только в одном документе (хотя и в нескольких местах);

- "внешней ссылкой", когда фрагмент вставляется в как внешняя ссылка, без физической вставки в документ. Поэтому при редактировании фрагмента-источника будут соответственно автоматически изменяться изображения во всех документах, где используется этот фрагмент.

При создании геометрических моделей иногда требуется вводить дополнительную неграфическую информацию, связанную с объектами чертежа. Для этого используется команда создания атрибутов. Используются следующие типы атрибутов: число, текстовая строка, таблица. В типе атрибута описана структура его данных. В табличном атрибуте данные в каждой ячейке таблицы могу быть представлены в виде целых или действительных чисел, строки текста, или записи. Запись – строка другой таблицы, на которую ссылается данная ячейка (так называемая строка вложенной таблицы). Атрибуты могут использоваться для поиска объектов и обработки приложениями.

Использование слоев осуществляется при разработке изображений большой плотности. Слой аналогичен прозрачной кальке, что позволяет расположить графические изображения на различных уровнях, каждый из которых является слоем. Слой характеризуется цветом, типом линии, состоянием (текущий, активный, фоновый, погашенный). Текущий – слой, в котором выполняются все операции графического редактора, то есть он находится поверх всех остальных слоев. Текущий слой может быть только единственным. В активном слое доступны операции редактирования и удаления. Фоновый слой, в котором доступны только привязки, используется в качестве "подложки", то есть основы для создания изображений. Элементы изображения, находящиеся в погашенном слое, не отображаются на экране.

Настройки в графических редакторах используются для создания требуемой рабочей среды. При настройке экрана осуществляется размещение управляющих элементов на экране, определяется режим использования подсказок, назначается фон рабочего поля, состав панелей управления и др. При настройке файлов устанавливаются права доступа, резервное копирование, автосохранение и др. Настройки графического редактора: вид курсора, настройка сетки, линеек прокрутки, системных линий, параметров размеров, упрощенная отрисовка, привязки, вывод на печать. Принастройках текстового редактора устанавливаются параметры текстовых документов, таблиц, надписей и др. Настройки пользовательских стилей: основной надписи, стиля спецификаций и др.

10.2.2.Создание геометрических моделей способом графического программирования

Для создания геометрических моделей с помощью способа графического программирования требуется предварительно разработать и отладить программу на языке программирования, предназначенном для этой цели. В отличие от программы, осуществляющей какие-либо вычисления (например, инженерные расчеты), результатом работы этой программы являются (кроме результатов вычислений) графические изображения.

Очевидно, что применение этого способа для создания единственного изображения нерационально, поскольку выполнение такой задачи проще осуществить рассмотренным ранее способом графического редактирования, а разработка и отладка программы требует значительных затрат труда квалифицированного программиста.

Основное достоинство способа графического программирования заключается в том, что с помощью одной программы можно создать большое количество геометрических моделей однотипных объектов, различающихся различными числовыми значениями размерных параметров и отдельными элементами топологии. Поэтому этот способ эффективен и используется в тех случаях, когда проектируется большое количество однотипных объектов, различающихся вариантами исполнения. В этом случае разработчик должен адресоваться к графической программе, обеспечивающей создание любых геометрических моделей данного типа объектов, с помощью которой создается требуемая конкретная модель.

Создание графической программы для создания геометрических моделей конкретной классификационной группировки изделий требует выполнения следующей последовательности действий:

- выделение группы объектов конструирования, для которых создание графической программы является рациональным.

- разработка унифицированного графического изображения;

- разработка алгоритма графической программы;

- разработка, отладка и тестирование графической программы.

Выделение группы объектов конструирования выполняется на основании анализа изделий по сходству конструкторских и технологических признаков.

Для этой группы создается унифицированный графический образ, включающий все геометрические элементы, имеющиеся у всех объектов найденной группы. Все размеры на этом изображении обозначаются в виде переменных буквенно-цифровыми символами (такое изображение называется параметрическим графическим изображением). На рис.10.6 в качестве примера показано параметрическое графическое изображение детали "Хвостовик" роликоопоры конвейера.

Рис.10.6. Параметрическое графическое изображение детали "Хвостовик"

Следующим этапом является создание формализованного описания технологии автоматизированного проектирования,

определяющего последовательность проектирования и интерактивное взаимодействие проектировщика с разрабатываемой программой - разработка алгоритма программы.

На рис.10.7 показан укрупненный алгоритм программы создания трехмерных моделей и чертежей роликоопоры конвейера.

Рис.10.7. Укрупненный алгоритм создания моделей и чертежей роликоопоры конвейера

На основании данного алгоритма на языке Borland Delphi 7.0 разработана программа, фрагмент которой имеет следующий вид:

...

Рисование деталей

// -----------------------------------------

type

Detali = class

public

procedure Draw3DDetali;//главная

private

// Формирование строки со значением диаметра d - в строку

// помещается либо целочисленное значение диаметра, либо

// вещественное значение с одним знаком после запятой

function GetDiamStr(d: single): string;

//детали

procedure Draw3DH(const dKon,lKon,lPaz,hPaz,I: single; td,Tip,fName: string);//хвостовик

procedure Draw3DO(const t: single; diam,fName: string);//обойма

procedure Draw3DP(const t,fName: string);//подшипник

...

Конечно, эффективность процесса создания изображения будет зависеть от качества интерфейса между разработчиком и программой, характеризуемого наглядностью и удобством создания изображения объекта. Для этого при разработке графической программы большое внимание уделяют созданию так называемого дружественного интерфейса, предполагающего использование ниспадающих и графических меню, различных макетов и заготовок.

На рис. 10.8 показано диалоговое окно ввода параметров при работе программы создания моделей и чертежей роликоопоры конвейера, позволяющее проектировщику вводить исходные данные для проектирования роликоопоры: значения размеров, варианты исполнений конструкций роликоопоры.

Рис.10.8. Диалоговое окно ввода параметров при работе программы создания моделей и чертежей роликоопоры конвейера

На рис.10.9 – 10.12 приведены трехмерные модели и конструкторская документация, полученные при помощи разработанной программы.

Рис. 10.9. Модели узлов роликоопоры, полученные в процессе работы программы создания моделей и чертежей роликоопоры конвейера

Рис. 10.10. Модели деталей роликоопоры, полученные в процессе работы программы создания моделей и чертежей роликоопоры конвейера

Рис. 10.11. Чертежи сборочных узлов, полученные в процессе работы программы создания моделей и чертежей роликоопоры конвейера

Рис 10.12. Чертежи деталей, полученные в процессе работы программы создания моделей и чертежей роликоопоры конвейера

Очевидно, что процесс создания изображений таким способом значительно проще и быстрее, чем способом графического редактирования. Так, например, время создания всех моделей и чертежей способом графического программирования с помощью рассмотренной программы составляет, в среднем, 70 секунд, в то время как выполнение этой же работы способом графического редактирования составляет, в среднем, 10 часов. Причем, графическое редактирование часто используют для корректировки и «обогащения» изображения, полученного способом графического программирования.

Способом графического программирования создаются прикладные библиотеки программ (которые называют параметрическими библиотеками), позволяющие в процессе проектирования конструкции изделия оперативно создавать ее типовые элементы, например: крепежные изделия, пружины, подшипники, резьбовые отверстия, канавки, металлоконструкции и др. Эти библиотеки могут поставляться вместе с системами автоматизированного проектирования. На рис. 10.13 приведен пример использования параметрической библиотеки для создания двухмерных моделей подшипников качения, а на рис. 10.14 – пример использования параметрической библиотеки для создания трехмерных моделей крепежных изделий в отечественной системе "Компас-3D".

Рис. 10.13. Пример использования прикладной библиотеки для создания двухмерных моделей подшипников качения

Рис. 10.14. Пример использования прикладной библиотеки для создания трехмерных моделей крепежных изделий

Параметрические библиотеки могут создаваться непосредственно на предприятиях, где осуществляется проектирование изделий, и подключаться к используемой системе автоматизированного проектирования. Необходимость создания таких библиотек вызвана специализаций конкретного предприятия на выпуск определенной номенклатуры изделий, которые могут быть унифицированы. Так, например, рассмотренная выше программа является специализированной параметрической библиотекой для создания трехмерных моделей и чертежей различных конструкций роликоопор конвейеров.