Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Донской государственный технический университет

Кафедра «Робототехника и мехатроника»

Методические указания к выполнению лабораторной работы N1

по дисциплине «Информационные технологии»

«Основы твердотельного моделирования в системе КОМПАС-3D»

г. Ростов-на-Дону 2007 г.

1. Цель работы

Ознакомиться с основными преимуществами 3D-систем автоматизированного проектирования; изучить назначение, особенности и основные методы создания твердотельных параметрических моделей в системе КОМПАС-3D; получить практические навыки создания 3D-моделей.

2 Теоретическая часть

2.1 Ограничения двухмерного проектирования

В настоящее время большинство пользователей САПР основывают свою работу на двухмерных, то есть плоских технологиях. В этом случае электронный чертеж составляется из отдельных геометрических примитивов (отрезков, окружностей, дуг и т.д.). При вводе геометрических объектов, образующих вычерчиваемую деталь, конструктор может использовать знания и навыки, приобретенные при работе на кульмане, так как логика черчения в обоих случаях имеет много общего.

Несмотря на то, что 2D-системы позволяют вполне успешно решать стоящие перед большинством пользователей задачи, по мере развития новых технологий, все отчетливее проявляются серьезные ограничения, присущие плоскому проектированию.

Основной недостаток 2D-систем заключается в том, при создании плоского чертежа конструктору приходится мыслить не в терминах проектируемой детали -- основание, отверстие, ребро жесткости, а в терминах упомянутого выше традиционного набора геометрических примитивов. Например, для построения тонкостенной трубки на изображении детали Патрубок, показанной на рисунке 1, конструктор должен разложить ее на отдельные отрезки и дуги и построить проекции этих элементов на всех необходимых видах детали. Эта работа не несет в себе творческого начала.

Если возникает необходимость внести в деталь какие-либо изменения, то их необходимо заново отобразить на всех видах детали, что опять связано с большими затратами времени.

Частично эту проблему можно решить за счет создания параметрических плоских чертежей. Однако не все современные 2D-системы обладают такими возможностями. К тому же, создание сложного параметрического чертежа является далеко не простой задачей.

Рисунок 1

Ограничения 2D-систем особенно наглядно проявляются, когда поверхность детали имеет сложную форму (рисунок 2), или необходимо построить аксонометрическую проекцию (рисунок 3).

Рисунок 2



Рисунок 3

Большая трудоемкость построения сложных поверхностей и аксонометрических проекций может заставить конструктора отказаться от их изображения или упростить форму детали. В первом случае это затрудняет понимание проекта, во втором -- снижает привлекательность изделия с точки зрения потребителя.

Список ограничений двухмерного проектирования можно продолжить и дальше. В него можно включить сложность понимания взаимного положения и взаимодействия деталей в сборочных единицах, сложность или невозможность передачи данных в системы инженерного анализа и подготовки управляющих программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Приведенные выше примеры позволяют сделать вывод, что использование только лишь двухмерных систем как средства проектирования и подготовки чертежей порождает серьезные проблемы и замедляет выпуск новых изделий.

2.2 Трехмерное моделирование и его преимущества

Современные 3D-системы располагают весьма эффективными средствами моделирования. Они позволяют создавать трехмерные модели самых сложных деталей и сборок. Используя наглядные методы создания объемных элементов, конструктор оперирует простыми и естественными понятиями: основание, бобышка, ребро жесткости, отверстие, фаска, оболочка (рисунок 4). При этом процесс проектирования часто воспроизводит технологический процесс изготовления детали.

Рисунок 4

Трехмерное моделирование обладает рядом преимуществ перед двухмерным моделированием:

1) В процессе построения трехмерных моделей сборочных единиц конструктор имеет возможность временно отключать отображение любых элементов. Это особенно удобно, если модель включает в себя корпусные детали, в которых размещены остальные компоненты изделия.

2) После построения 3D-модели детали или сборки, либо непосредственно в ходе построения, конструктор может получить ее чертеж, без рутинного создания видов средствами плоского черчения. Для этого нужно лишь указать необходимые виды, провести линии разрезов или сечений. Плоский чертеж будет создан автоматически и с абсолютной точностью, независимо от сложности модели. Полученный таким образом документ можно дополнить встроенными в систему средствами 2D-черчения: проставить дополнительные размеры, обозначения позиций, заполнить основную надпись или подготовить спецификацию.

3) Во всех современных 3D-системах объемные модели и плоские чертежи ассоциированы между собой. Это означает, что любое изменение, внесенное в модель, будет немедленно и точно отражено на всех видах чертежа.

4) Хорошая 3D-система располагает мощными средствами редактирования модели. Возможности таких систем позволяют задавать параметрические связи и ассоциации как между отдельными элементами деталей, так и между деталями в сборочных единицах. Это позволяет быстро вносить изменения в проект, создавать различные варианты как отдельных деталей, так и всего изделия в целом.

5) По трехмерной модели система легко определяет ее физические характеристики: площадь поверхности, объем, координаты центра тяжести и т.д. Если пользователь определяет свойства материала, то автоматически вычисляется масса. Это касается как деталей, так и сборок любой сложности.

6) Трехмерные твердотельные модели включают в себя всю геометрическую информацию, необходимую для работы систем инженерного анализа. В этом заключается одно из главных преимуществ 3D-моделирования. Такая модель может быть передана в какую-либо систему инженерных расчетов для выполнения ее анализа: расчёта напряжений и деформаций, частотного анализа для определения собственных частот и форм колебаний, тепловых расчетов и связанных с нагревом температурных деформаций и напряжений.

7) Трехмерная модель является гораздо более наглядным преставлением изделия, нежели ее плоский чертеж. Кроме создания любой аксонометрической проекции, 3D-системы позволяют легко строить разнесенные виды изделия, с помощью которых можно демонстрировать порядок сборки, разборки или технического обслуживания изделия. Такая возможность может быть очень полезной при подготовке технической документации и рекламных материалов.

2.3 Общие сведения о системе КОМПАС-3D

2.3.1 Назначение системы

Система KOMПAC-3D V7 предназначена для создания трехмерных параметрических моделей деталей и сборок, их рабочих чертежей, содержащих все необходимые виды, разрезы и сечения. Параметризация трехмерных моделей позволяет быстро получать типовые детали на основе однажды спроектированного прототипа.

2.3.2 Основные типы документов

Система KOMПAC-3D V7 состоит из двух частей: модуля плоского черчения и модуля трехмерного твердотельного моделирования. Каждый из этих модулей отвечает за выполнение определенных функций.

В терминах KOMПAC-3D V7 любое изображение, которое можно построить с помощью системы, принято называть документом. Помимо традиционных для системы КОМПАС типов документов (чертежей, фрагментов, спецификаций, текстов и графических документов), модуль трехмерного моделирования позволяет создавать документы двух дополнительных типов: трехмерные детали и сборки. В тех случаях, когда идет речь именно о трехмерных изображениях деталей или сборок, часто употребляется еще один термин-модель.

Трехмерная деталь -- это однородная непрерывная область пространства определенной формы. Трехмерные детали хранятся в файлах с расширением m3d.

Трехмерная сборка -- это трехмерная модель, объединяющая модели деталей, подсборок и стандартных изделий. Сборки хранятся в файлах с расширением a3d.

2.3.3 Основные элементы интерфейса

KOMПAC-3D V7 -- это программа для операционной системы MS Windows. Поэтому ее окно имеет те же стандартные элементы управления, что и другие Windows-приложения (рисунок 5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5

2.3.3.1 Панель текущего состояния

Панель текущего состояния находится в верхней части окна КОМПАС-3D V7, сразу над окном документа (рисунок 5). Состав панели текущего состояния различен для разных режимов работы системы. Например, в режимах работы с чертежом, эскизом или фрагментом на ней расположены средства управления курсором, слоями, привязками и т. д. Эти средства представлены стандартными элементами управления: кнопками, полями и списками (рисунок 6).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6

2.3.3.2 Компактная панель и инструментальные панели

Компактная панель, по умолчанию, находится в левой части окна системы (рис. 5) и состоит из нескольких инструментальных панелей. Выбор нужной панели осуществляется с помощью кнопок переключения, то есть каждой кнопке переключения соответствует одноименная инструментальная панель. Каждая инструментальная панель содержит набор кнопок, сгруппированных по функциональному признаку.

Состав Компактной панели зависит от типа активного документа. Например, при открытии трехмерной модели детали включается кнопка Редактирование детали и открывается инструментальная панель Редактирование детали (рисунок 7).

На этой панели расположены кнопки команд, с помощью которых можно выполнять трехмерные построения: создать основание детали, добавить к основанию дополнительные элементы (бобышки, отверстия, скругления, ребра жесткости и т. д.).



Рисунок 7

Некоторые кнопки на инструментальных панелях могут быть затенены. Это значит, что соответствующие команды временно невыполнимы или недостаточно условий для их выполнения.

Кнопка Пространственные кривые открывает одноименную инструментальную панель (рисунок 8). На ней расположены кнопки команд, с помощью которых можно создавать цилиндрические и конические спирали, ломаные трехмерные линии и плавные кривые (сплайны).

Единственная кнопка на панели Поверхности позволяет импортировать в модель КОМПАС данные из файлов в форматах SAT или IGES (рисунок 9). На инструментальной панели Вспомогательная геометрия расположены кнопки команд объектов вспомогательной геометрии, таких как: оси, плоскости и линии разъема (рисунок 10).



Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

На инструментальной панели Измерения расположены кнопки команд, позволяющих выполнять измерения: подсчитывать длины ребер и площадь граней, определять расстояния между ними, вычислять массо-центровочные характеристики модели (рисунок 11).

Команды инструментальной панели Фильтры позволяют выделять в модели только определенные ее элементы: грани, ребра, вершины и т. д. (рисунок 12).

Рисунок 11

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12

2.3.3.3 Панели расширенных команд

Некоторые команды на инструментальных панелях имеют варианты расширения. Например, вспомогательная плоскость в KOMПAC-3D V7 может быть построена несколькими различными способами. По умолчанию, строится смещенная плоскость. Чтобы получить доступ к прочим вариантам построения вспомогательных плоскостей, необходимо вызвать на экран панель расширенных команд.

Для вызова панели расширенных команд необходимо:

· щелкнуть на кнопке основной команды левой кнопкой мыши и удерживать ее, через непродолжительное время на экране появится связанная с данной кнопкой панель расширенных команд;

· после появления панели, для выбора необходимого варианта команды нужно установить курсор на соответствующую кнопку панели и отпустить кнопку мыши.

Например, на рисунке 13 показана панель расширенных команд построения вспомогательных плоскостей, которая расположена на инструментальной I панели Вспомогательная геометрия.

Рисунок 13

Кнопки на инструментальных панелях, имеющие панели расширенных команд, помечены небольшим черным треугольником в правом нижнем углу.

2.3.3.4 Дерево построения

Дерево построения, по умолчанию, располагается в левой части программного окна KOMПAC-3D V7. Оно представляет в графическом виде последовательность элементов, составляющих деталь, в порядке их создания. В дереве построения отображаются следующие элементы: наименование детали плоскости, символ начала координат, операции, эскизы и оси (рисунок 14).

Рисунок 14

Дерево построения является неотъемлемой частью каждой трехмерной модели и оформляется в виде отдельного окна со стандартными элементами управления: заголовком, границами и кнопками управления окном.

Можно изменять размеры окна дерева построения и определять его положение в окне модели с помощью стандартных элементов управления.

2.3.4 Общие принципы моделирования детали

В современных системах трехмерного моделирования построение твердотельной модели осуществляется последовательным выполнением операций объединения, вычитания и пересечения объемных элементов (призм, цилиндров, пирамид, конусов и т.п.). На рисунке 15 показан пример последовательности операций.

К прямоугольной призме в основании детали (1) путем объединения добавляется цилиндрическая бобышка (2), затем усеченная пирамида (3). Путем вычитания цилиндра (4) в модели выполняется построение отверстия.

Рисунок 15

Варьируя эти простые операции, можно построить достаточно сложную модель.

2.3.4.1 Создание объемных элементов

Для создания объемных элементов используется перемещение плоских фигур в пространстве. Ниже показаны несколько типовых перемещений и полученные в результате объемные элементы различной формы.

Перемещение прямоугольника в направлении, перпендикулярном его плоскости, определяет призму, или прямоугольную пластину (рисунок 16).



Рисунок 16

Поворотом ломаной линии на 360° вокруг оси в одной с ней плоскости будет сформирован вал, состоящий из цилиндрических и конических участков (рисунок 17).

Перемещением окружности вдоль направляющей кривой получен круглый стержень (рисунок 18).

Рисунок 17



Рисунок 18

2.3.4.2 Эскизы и операции

Плоская фигура, в результате перемещения которой образуется объемное тело, называется эскизом, а само перемещение -- операцией.

Эскиз может располагаться в одной из стандартных плоскостей проекции, на плоской грани объемного тела или на вспомогательной плоскости, определенной пользователем.

Эскизы выполняются модулем плоского черчения и состоят из комбинаций графических примитивов: отрезков, дуг, окружностей, ломаных линий и т.п.

В эскиз можно скопировать изображение из созданного ранее чертежа или фрагмента. Это позволяет при создании трехмерной модели использовать существующие плоские чертежи.

KОMПAC-3D V7 располагает разнообразными средствами для построения объемных элементов. К базовым типам операций можно отнести следующие:

· операция выдавливания -- выдавливание в направлении, перпендикулярном плоскости эскиза;

· операция вращения -- вращение вокруг оси, лежащей в плоскости эскиза;

· кинематическая операция -- перемещение эскиза вдоль направляющей;

· операция по сечениям -- построение объемного элемента по эскизам его сечений плоскостями (рисунок 19).

Рисунок 19

Операция может иметь дополнительные возможности (опции), которые позволяют изменять или уточнять правила построения объемного элемента. Например, если в операции выдавливания прямоугольника дополнительно задать величину и направление уклона, то вместо призмы будет построена усеченная пирамида (рисунок 20).

Рисунок 20

Таким образом, процесс создания трехмерной модели заключается в добавлении или вычитании дополнительных объемов, образованных при помощи операций над плоскими эскизами. При выборе операции нужно в первую очередь определить, будет ли создаваемый элемент вычитаться из имеющегося на данный момент тела, или добавляться к нему. Примерами вычитания объема из детали могут быть различные отверстия, проточки, канавки, пазы, а примерами добавления объема -- бобышки, выступы, ребра (рисунок 21).

Рисунок 21

2.3.4.3 Основные термины трехмерной модели

Объемные элементы в трехмерной модели, образуют грани, ребра и вершины, характеристика которых приведена в таблице 1.

Таблица 1

Грань	Гладкая (необязательно плоская) часть поверхности детали. Поверхность детали может состоять из нескольких граней
Ребро	Прямая или кривая, разделяющая две смежные грани
Вершина	Точка на конце ребра
Тело детали	Замкнутая гранями детали непрерывная область пространства. Считается, что эта область заполнена однородным материалом детали

Кроме того, в модели могут присутствовать дополнительные элементы, например: символ начала координат, плоскости и оси (рисунок 22).



Рисунок 22

Построение детали начинается с основания -- первого формообразующего элемента. Основание есть у любой детали и всегда одно. Понятно, что построение основания всегда связано с добавлением объемного элемента, так как вычитать просто не из чего.

В качестве основания можно использовать любой из четырех основных типов: элемент выдавливания, элемент вращения, кинематический элемент и элемент по сечениям.

При создании модели всегда встает вопрос о том, какой из ее элементов использовать в качестве основания. Для этого надо хотя бы приблизительно представлять конструкцию будущей детали.

Чаще всего в качестве основания берут тот элемент детали, к которому удобнее добавлять все прочие элементы. Обычно такой подход полностью или частично повторяет технологический процесс изготовления детали (рисунок 23).



Рисунок 23

В качестве основания можно рассматривать элемент детали, относительно которого заданы положение, размеры или форма большинства других элементов (рисунок 24).

Рисунок 24

В некоторых случаях в качестве основания следует рассматривать наиболее сложный элемент детали, к которому впоследствии нужно добавить минимальное количество прочих элементов. В частности, возможна ситуация, когда деталь полностью или в значительной степени состоит из одного основания (рисунок 25).

Рисунок 25

2.3.4.4 Требования к эскизам

Как правило, эскиз представляет собой сечение будущего объемного элемента.

Одним из основных понятий при описании эскиза является контур. При построении эскиза под контуром понимается любой линейный графический объект или совокупность последовательно соединенных линейных объектов (отрезков, дуг, ломаных, сплайнов и т.д.).

Основные требования, предъявляемые к контурам, изложены ниже.

1) Контур в эскизе всегда отображается стилем линии Основная.

При создании чертежей, фрагментов и эскизов, KOMПAC-3D V7 поддерживает все стили линий, предусмотренные стандартом: основные, тонкие, осевые, утолщенные и т.п. (рисунок 26). Но в формировании объемных элементов система учитывает только основные линии, другие стили, игнорируются. Отличить основные линии очень просто: они имеют синий цвет. По умолчанию, все геометрические объекты создаются именно этим стилем.

2) Контуры в эскизе не пересекаются и не имеют общих участков.

Если эскиз не отвечает этому требованию, система просто не сможет правильно сформировать на его основе объемный элемент. На рисунке 27 показаны примеры ошибок, связанных с нарушением этого условия.

Слева вверху показано самопересечение контура. В таком случае необходимо удалить выступающие участки.

Справа вверху показан случай пересечения двух контуров. Для исправления ошибки следует полностью или частично удалить один из контуров.

Справа внизу показан частный случай пересечения двух контуров -- контуры имеют общую точку.



Рисунок 26

Рисунок 27

3) В эскизе основания детали может быть один или несколько контуров.

4) Если контур один, то он может быть разомкнутым или замкнутым.

5) Если контуров несколько, то все они должны быть замкнутыми;

6) Если контуров несколько, то один из них должен быть наружным, а другие -- вложенными в него.

7) Допускается только один уровень вложенности контуров.

2.3.4.5 Параметризация в эскизах

Одним из важных инструментов КОМПАС-3D V7 для создания «гибких» моделей является параметрический эскиз операции.

Обычный чертеж содержит лишь информацию о составляющих его объектах. Например, для каждого отрезка хранятся его параметры: координаты: конечных точек и стиль линий. Даже если два отрезка имеют общую точку, указанную с использованием привязки, информация о координатах этой точки хранится для каждого отрезка независимо. В результате перемещения одного из отрезков, их общая точка будет потеряна.

Параметрический эскиз, кроме данных об объектах, содержит информацию о связях между объектами и о наложенных на объекты ограничениях.

Под связями между объектами понимается зависимость между параметрами этих объектов. Например, одной из наиболее распространенных видов связи является Совпадение точек. Если два отрезка имеют такую связь, то система автоматически поддерживает непрерывное равенство координат этой точки для обоих отрезков. Можно перемещать любой из отрезков, но не удастся разорвать их в точке связи.

Под ограничениями понимается зависимость между параметрами отдельного объекта или равенство параметра константе. Например, если на отрезок наложено ограничение Вертикаль, то система автоматически обеспечивает непрерывное равенство координат по оси X его конечных точек. Такой отрезок можно перемещать, удлинять или укорачивать, но его нельзя наклонить.

Накладывая на объекты связи и ограничения, пользователь постепенно формирует параметрическую модель -- устойчивый комплекс объектов, элементы которого непрерывно находятся в параметрической зависимости. Такая модель может динамично менять свою форму без нарушения связей между элементами.

3. Практическая часть

3.1 Задание на выполнение лабораторной работы

1) В системе КОМПАС-3D постройте модель детали, изображенной на рисунке 29 и 29, согласно своему варианту и сохраните ее в папке Мои модели под именем Барашек.

Все исходные данные (размеры и тип детали), необходимые для построения модели, взять из таблицы 2 согласно своему варианту.

2) Назначьте материал детали -- Сталь 45 ГОСТ1050-88, определите объем, площадь поверхности, вес детали и положение ее центра тяжести.

3) Постройте сечение детали плоскостью, являющейся плоскостью симметрии детали. Затем исключите операцию сечения из расчета и сохраните модель на диске.

Рисунок 28 - Барашек открытый мотыльковый



Рисунок 29 - Барашек закрытый

Таблица 2

Номер варианта	d	d1	D	D1	L	Н	h	b	b1	R	r	r1	Номер рисунка
1	M4	--	8	7	24	10	4	1,5	2	4,5	2	--	28
2	M5	--	10	8	28	12	5	2	2,5	5,5	2,5	--	28
3	М6	--	12	10	32	14	6	2,5	3	5,5	3	--	28
4	М8	--	15	13	40	18	8	3	3,5	6	4	--	28
5	М10	--	18	15	48	22	10	3,5	4	7	4,5	1	28
6	M12	--	22	19	58	27	12	4	5	8,5	5	1	28
7	M14	--	26	23	62	30	14	5	6	9	6	1	28
8	М16	--	30	26	72	32	14	6	7	10	7	1	28
9	M18	--	32	28	78	35	16	6	7	11	8	1,5	28
10	М20	--	35	30	84	38	16	7	8	11,5	9	1,5	28
11	М24	--	45	38	108	48	20	9	11	15	11	2,5	28
12	М12	9	23	20	66	48	13	--	--	6	2	6	29
13	М14	10	26	23	70	52	15	--	--	6	2	7	29
14	M16	10	30	26	72	56	16	--	--	6	2	9	29
15	М18	11	32	28	76	60	18	--	--	7	3	11	29
16	M20	11	35	30	80	64	20	--	--	8	3	12	29
17	М22	12	40	32	86	72	22	--	--	8	3	12	29
18	М24	13	45	38	94	80	24	--	--	10	4	15	29

3.2 Содержание отчета

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Назначение системы КОМПАС-3D и типы документов, которые можно создавать в этой системе.

3. Определения эскиза и операции. Базовые операции для создания твердотельных моделей в КОМПАС-3D.

4. Основные термины трехмерной модели.

5. Задание на выполнение лабораторной работы (эскиз создаваемой модели, материал).

6. Объем, площадь поверхности, вес детали, координаты центра тяжести.

7. Выводы о проделанной работе.

4 Контрольные вопросы

1. Каковы основные преимущества трехмерного моделирования?

2. Назначение системы КОМПАС-3D, основные типы документов.

3. Перечислите основные элементы интерфейса системы КОМПАС-3D.

4. Назовите основные принципы моделирования деталей.

5. Какие основные понятия составляют основу трехмерного моделирования?

6. Назовите и дайте характеристику базовым типам операций для построения объемных элементов в системе КОМПАС-3D.

7. Дайте определение основных терминов трехмерной модели.

8. Каким образом необходимо начинать построение трехмерной детали?

9. Перечислите требования, предъявляемые к эскизам в системе КОМПАС-3D.

10. Что такое параметрический эскиз, чем он отличается от непараметрического? Какие виды параметризации возможны в эскизах системы КОМПАС-3D?

Список использованных источников

1. Потемкин А.Е. Твердотельное моделирование в системе КОМПАС-3D. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

2. Потемкин А.Е. Инженерная графика. Просто и доступно. - М.: ЛОРИ, 2000.

3. Федоренко В.А., Шошин А.И. Под ред. Поповой Г.Н. Справочник по машиностроительному черчению. 14-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1981.

Размещено на Allbest.ru