Технології. Рівень стандарту. 10 клас. Біленко

Комп’ютерне проектування

1. Системи автоматизованого проектування. Для отримання виробів високої якості за обмежений час важливо підвищувати ефективність процесу проектування, тому неабияке поширення мають системи автоматизованого проектування.

САПР створюють з метою: підвищення якості та техніко-економічного рівня продукції; підвищення ефективності об'єктів проектування, зменшення витрат на їх створення й експлуатацію; скорочення термінів, зменшення трудомісткості проектування та підвищення якості проектної документації.

Основна мета створення САПР — підвищення ефективності праці інженерів.

Основна функція САПР — здійснення автоматизованого проектування на всіх або окремих стадіях проектування об'єктів та їх складових частин на основі застосування математичних та інших моделей, автоматизованих проектних процедур і засобів обчислювальної техніки.

Автоматизоване проектування в САПР полягає в тому, що окремі перетворення описів об'єкта проектування та подання описів на різних мовах здійснюються шляхом взаємодії людини і комп'ютера. У САПР можна здійснювати процедури автоматичного проектування, за яких перетворення і подання описів об'єкта проектування виконують без участі людини.

Функціонування САПР має забезпечувати отримання проектних рішень, тобто проміжних або кінцевих описів об'єкта проектування, достатніх для розгляду або закінчення цього процесу. Результатом проектування в САПР є сукупність закінчених проектних рішень, що задовольняє заданим вимогам, необхідним для створення об'єкта проектування.

Система автоматизованого проектування (САПР) — автоматизована система, призначена для автоматизації технологічного процесу проектування виробу, результатом якого є комплект проектно-конструкторської документації, достатньої для виготовлення та подальшої експлуатації об'єкта проектування.

Сторінками історії

Американський інформатик Айвен Едвард Сазерленд (1938 р. нар.) у 1988 р. отримав премію Тьюринга від ACM за створення «Sketchpad» — прообразу майбутніх САПР, що має ранній прототип графічного інтерфейсу.

Перлини мудрості

Прогрес — це спосіб людського буття.

Віктор Гюго, французький письменник

Автоматизоване проектування — проектування, за якого окремі перетворення описів об'єкта й алгоритму його функціонування або алгоритму процесу, а також подання описів на різних мовах відбуваються через взаємодію людини і комп'ютера.

Автоматичне проектування — проектування, за якого всі перетворення описів об'єкта й алгоритму його функціонування або алгоритму процесу, а також подання описів на різних мовах здійснюються без участі людини.

Результат проектування — проектне рішення, яке задовольняє заданим вимогам, необхідним для створення об'єкта проектування.

Алгоритм проектування — сукупність приписів, необхідних для виконання проектування.

Мова проектування — мова, призначена для представлення та перетворення описів при проектуванні.

Класифікація САПР з використанням англомовних термінів

MCAD (англ. mechanical computer-aided design) — автоматизоване проектування механічних пристроїв.

EDA (англ. electronic design automation) або ECAD (англ. electronic computer-aided design) — САПР електронних пристроїв, радіоелектронних засобів, інтегральних схем, друкованих плат тощо.

AEC CAD (англ. architecture, engineering and construction computer-aided design) або CAAD (англ. computer-aided architectural design) — САПР в галузі архітектури і будівництва. Використовуються для проектування будівель, промислових об'єктів, доріг, мостів тощо.

Створено в Україні

САПР «Грація»

У 1972 р. в Інституті проблем машинобудування Академії наук України було створено відділ математичного моделювання та оптимального проектування. Його очолив один з учнів академіка В. Л. Рвачева — професор Ю. Г. Стоян. Під його керівництвом розроблено теорію і математичні методи геометричного проектування. У 1977 р. було створено програму автоматичної побудови секційних розкладок для розкрою трикотажних полотен, побудовано в комп'ютері та намальовано в натуральну величину на плотері реальні оптимальні розкладки.

Юрій Григорович Стоян (1935 р. нар.) — професор кафедри прикладної математики Харківського національного університету радіоелектроніки.

2. Основні поняття комп'ютерного проектування. Розглянемо поняття, які є основою розуміння процесу комп'ютерного проектування.

Приклад, який показує різницю між растровою та векторною графікою в разі збільшення

Векторна графіка — створення зображення з сукупності геометричних примітивів — (точок, ліній, кривих, полігонів), тобто об'єктів, які можна описати математичним рівнянням, на відміну від растрової графіки, яка подає зображення як набір пікселів.

Це цікаво

  • Першою офіційно визнаною спробою використання дисплея для виведення зображення з ЕОМ було створення в Массачусетському технологічному університеті машини Whirlwind-I у 1950 р. Таким чином, виникнення комп'ютерної графіки можна віднести до 1950-х рр. А сам термін «комп'ютерна графіка» придумав у 1960 р. співробітник компанії Boeing У. Феттер.
  • Перше реальне застосування комп'ютерної графіки пов'язують з ім'ям Дж. Уітні. Він займався кіновиробництвом у 1950—1960-х рр. і вперше використав комп'ютер для створення титрів до кінофільму.

Під геометричними примітивами розуміють той базовий набір геометричних фігур, який лежить в основі всіх графічних побудов, причому ці фігури повинні утворювати «базис» у тому сенсі, що жоден з цих об'єктів не можна побудувати через інші.

Завдання 3D-моделювання — розробити візуальний об'ємний образ бажаного об'єкта.

Плоскі багатокутні фігури — один з елементів тривимірної моделі, з об'єднаного числа яких складається поверхня 3D-фігури. Більшість додатків і програм для 3D-моделювання, а також редакторів для роботи з тривимірною графікою оперують трикутниками і чотирикутниками.

Твердотільність в автоматизованому проектуванні означає, що створені геометричні моделі є носіями інформації про матеріальність об'єктів, які вони представляють. Твердотільні найповніше з усіх типів 3D-моделей відображають об'єкти, що моделюються.

Геометричний примітив — геометричні об'єкти, які можуть бути опрацьовані (накреслені, збережені) системою.

3D-моделювання — це процес створення тривимірної моделі об'єкта.

Комп'ютерна візуалізація (англ. rendering — візуалізація, проявлення, відмальовування, подання) — це процес отримання зображення за моделлю з допомогою комп'ютерної програми.

Твердотільний об'єкт або тіло — зображення об'єкта, що містить інформацію про масово-інерційні характеристики.

Моделювання твердих тіл являє собою послідовний набір принципів математичного та комп'ютерного моделювання тривимірних твердих тіл. Твердотільне моделювання відрізняється від суміжних областей геометричного моделювання та комп'ютерної графіки акцентуванням на фізичних властивостях. Разом принципи геометричного і твердотільного моделювання є основою автоматизованого проектування і загальної підтримки створення, обміну, візуалізації, анімації, опису й анотування цифрових моделей фізичних об'єктів.

Застосування твердих методів моделювання дає змогу автоматизувати кілька складних інженерних розрахунків, що здійснюють як частину процесу проектування. Моделювання, планування і перевірка процесів (зокрема таких, як обробка) було одним з основних каталізаторів для розвитку твердотільного моделювання.

Грань — гладка (необов'язково плоска) частина поверхні деталі. Гладка поверхня деталі може складатися з декількох граней.

Ребро — пряма або крива, що розділяє дві суміжні грані.

Вершина — точка на кінці ребра.

Побудова тривимірної твердотільної моделі полягає в послідовному виконанні операцій об'єднання, віднімання і перетинання над простими об'ємними елементами (призми, циліндри, піраміди тощо), з яких і складається більшість механічних деталей. Багаторазово виконуючи ці прості операції над різними об'ємними елементами, можна побудувати складну модель.

Технологія поверхневого моделювання дозволяє створювати вироби складної форми. Поверхні можна створювати різними способами. Одні ділянки поверхонь можуть бути побудовані видавлюванням, обертанням та іншими операціями, інші — являти собою лінійчаті поверхні, поверхні з'єднання, поверхні за мережею кривих. У процесі побудови поверхні сполучають одну з одною і зшивають, утворюючи єдину складну поверхню.

Тривимірна твердотільна модель складається з окремих об'ємних елементів, які утворюють у ній грані, ребра і вершини.

Крім того, у моделі зазвичай присутні різноманітні додаткові елементи: символи початку систем координат, системні та допоміжні площини, осі, просторові криві, точки, розміри, позначення тощо.

1. Створення призми.

2. Додавання циліндра.

3. Додавання зрізаної піраміди.

4. Віднімання циліндра.

5. Вирахування двох циліндрів.

6. Додавання фасок заокруглень

Побудова твердотільної моделі

Алгоритм побудови 3D-моделі в САПР. В усіх сучасних системах створення твердотільної моделі здійснюють за такою схемою:

Перлини мудрості

Людина в XXI столітті, яка не буде вміти користуватися ЕОМ, буде подібна до людини ХХ століття, яка не вміла ні читати, ні писати.

Віктор Глушков, український учений, піонер комп'ютерної техніки, автор фундаментальних праць у галузі кібернетики, математики й обчислювальної техніки

3. Область застосування та можливості систем автоматичного проектування.

КОМПАС 3D

Основне завдання, яке виконує система КОМПАС 3D, — це моделювання виробів з метою істотного скорочення періоду проектування і швидкого їх запуску у виробництво.

Цього досягають завдяки таким можливостям, як:

  • швидке отримання конструкторської та технологічної документації, необхідної для випуску виробів (складальних креслень, специфікацій, деталізацій тощо);
  • передавання геометрії виробів у розрахункові пакети;
  • передавання геометрії в пакети розробки керівних програм для устаткування з ЧПУ;
  • створення додаткових зображень виробів (наприклад, для складання каталогів, створення ілюстрацій до технічної документації тощо).

Моделювання виробів у КОМПАС 3D можна здійснювати в різний спосіб: знизу догори (використовуючи готові компоненти), згори донизу (проектуючи компоненти в контексті конструкції), спираючись на компонувальний ескіз (наприклад, кінематичну схему), або змішаним способом.

КОМПАС 3D LT — це найпростіша система тривимірного моделювання для навчальних цілей, полегшена версія професійної системи КОМПАС 3D.a

Система КОМПАС 3D LT призначена для початкового освоєння САПР. Вон допоможе тим, кому необхідно навчитися креслити і моделювати.

Інтерфейс КОМПАС 3D LT

Система КОМПАС-3D має різноманітні операції для побудови об'ємних елементів і поверхонь, чотири з яких вважають базовими.

1. Операція видавлювання — видавлювання ескіза перпендикулярно його площині.

Принцип дії операції видавлювання

2. Операція обертання — обертання ескіза навколо осі, що лежить у його площині.

Принцип дії операції обертання

3. Кінематична операція — переміщення ескіза вздовж напрямних.

Принцип дії кінематичної операції

4. Операція за перерізами — побудова об'ємного елемента або площини за кількома ескізами (перерізами).

Перлини мудрості

Недалеко той час, коли електронні машини будуть коморами не лише технічних і наукових знань людства, а й усього, що було створено ним за багато століть свого існування; вони стануть величезною і вічною пам’яттю його.

Віктор Глушков

Створення основи деталі. Побудова деталі починається зі створення її основи — першого формотворного елемента. Основа є в будь-якої деталі, і вона завжди одна. Зрозуміло, що створення основи завжди пов'язане з додаванням матеріалу, тому до її появи віднімати матеріал просто ні від чого. Як основу можна використовувати будь-який з чотирьох основних типів формотворних елементів: елемент видавлювання, елемент обертання, кінематичний елемент і елемент по перерізах. На початку створення моделі завжди постає питання, який з її елементів використовувати як основу. Для цього бажано хоча би приблизно уявляти конструкцію майбутньої деталі.

Найчастіше як основу слід використовувати той елемент деталі, до якого зручніше додавати всі інші елементи. Часто такий підхід повністю або частково повторює технологічний процес виготовлення деталі.

Використання тіла вала як основного елемента моделі

ЗD-моделі КОМПАС

AutoCAD

AutoCAD — дво- і тривимірна система автоматизованого проектування і креслення, розроблена компанією Autodesk.

Уперше випущений у грудні 1982 р., AutoCAD був однією з перших програм САПР для роботи на персональних комп'ютерах. AutoCAD (від Automated Computer Aided Draftingand Design) у перекладі з англійської означає «Автоматизоване креслення та проектування за допомогою комп'ютера».

Інтерфейс AutoCAD

Перлини мудрості

Наше майбутнє — перегони між зростанням потужності технологій і здоровим глуздом, з яким ці технології використовують.

Стівен Гокінг, фізик-теоретик, популяризатор наукових знань

Сторінками історії

Autodesk, Inc — американська транснаціональна корпорація, найбільший у світі постачальник програмного забезпечення (САПР) для промислового і цивільного будівництва, машинобудування, ринку засобів інформації та розваг. Першим продуктом компанії став розроблений у 1982 р. AutoCAD. У даний час Autodesk випускає близько 100 програмних продуктів.

В області двовимірного проектування AutoCAD дає змогу використовувати елементарні графічні примітиви для отримання складніших об'єктів. Крім того, програма надає можливості роботи з шарами і анотативними об'єктами (розмірами, текстом, позначеннями).

AutoCAD містить повний набір інструментів для комплексного тривимірного моделювання (підтримується твердотільне моделювання). AutoCAD дає змогу отримати високоякісну візуалізацію моделей за допомогою рендеринга mentalray. Також у програмі реалізовано управління тривимірним друком (результат моделювання можна відправити на 3D-принтер) і підтримку хмар точок (дозволяє працювати з результатами 3D-сканування).

Спеціалізовані програми на основі AutoCAD

AutoCAD Architecture — версія орієнтована на архітекторів і містить спеціальні додаткові інструменти для архітектурного проектування і креслення, а також засоби випуску будівельної документації.

AutoCAD Electrical розроблений для проектувальників електричних систем управління.

AutoCAD Civil 3D — рішення для проектування об'єктів інфраструктури.

AutoCAD MEP орієнтований на проектування інженерних систем об'єктів цивільного будівництва: систем сантехніки і каналізації, опалення та вентиляції, електрики і пожежної безпеки.

AutoCAD Map 3D створений для фахівців, які виконують проекти у сфері транспортного будівництва, енергопостачання, земле- і водокористування.

AutoCAD Structural Detailing — засіб для проектування й розрахунку сталевих і залізобетонних конструкцій.

Перлини мудрості

Комп'ютер має бути слугою для користувача. Він не повинен бути рівним людині або бути її начальником.

Джеф Раскін, фахівець із комп'ютерних інтерфейсів, автор ідеї комп'ютера Macintosh

bCAD — дво- і тримірна система автоматизованого проектування. Система отримала поширення в меблевому виробництві та дизайні інтер'єрів.

Інтерфейс bCAD

Можливості bCAD:

  • плоске (2D) креслення;
  • використання стандартів ЕСКД і довільне налаштування форматів виведення документації;
  • довільне тривимірне (3D) моделювання;
  • параметричне моделювання довільних меблевих панелей;
  • параметричне моделювання профільних деталей;
  • параметричне моделювання готових меблевих об'єктів з можливістю подальшого довільного редагування;
  • імпорт 3D моделей і 2D контурів з інших систем проектування.

Зображення та моделі, створені в bCAD

PatternsCAD — це зручна у використанні програма для побудови викрійок одягу на принтері.

Програма дає можливість побудувати викрійки одягу в їх натуральну величину, або в іншому масштабі, якщо це необхідно, і за індивідуальними мірками. Для створення викрійок стандартних розмірів потрібно ввести відповідну інформацію для кожного конкретного розміру і конкретного виробу.

Також, PatternsCAD дає можливість швидко створити індивідуальну викрійку за розмірами користувача. Поля для введення параметрів містять малюнки та фотографії, що пояснюють, як правильно зняти мірку.

Перлини мудрості

Комп'ютер — це найдивовижніший інструмент, з яким я коли-небудь стикався. Це велосипед для нашої свідомості.

Стів Джобс, американський підприємець і винахідник; був засновником і генеральним директором корпорації Apple Inc

Інтерфейс Patterns CAD

Сторінками історії

М. С. Карпентер. «Портрет Ади Лавлейс». 1836

Першим в історії програмістом вважається дочка видатного англійського поета Джорджа Байрона Августа Ада Кінг (1815—1852), більш відома як Ада Лавлейс, котра уславилася насамперед створенням опису обчислювальної машини. Вона ж склала першу в світі програму й увела в ужиток терміни «цикл» і «робоча комірка». У своїх записах Ада Лавлейс пророкувала, що, аналітична машина здатна створювати алгебраїчні формули, а в перспективі — писати музику, малювати картини й указувати «науці такі шляхи, які нам і не снилися».

У 1975 р. Міністерство оборони США прийняло рішення про початок розробки універсальної мови програмування під назвою «Ада».

Важливу роль у створенні сучасних мов програмування, використовуваних, наприклад, Microsoft відіграла контр-адмірал ВМС США Грейс Хоппер. Вона вважала, що мова програмування повинна нагадувати англійську, а не машинний код. У середині XX ст. ця жінка здійснила справжню технологічну революцію, розробивши перший компілятор для мови програмування, на основі якого згодом було створено одну з перших високорівневих мов програмування — COBOL.

OptiTex — система автоматизованого проектування (САПР), яку застосовують на швейних виробництвах.

У цій системі професійно проектують одяг та інші аксесуари від початку і до кінця. Прикметна унікальна можливість OptiTex — візуалізувати підсумок роботи на подіумі в реалістичній зйомці.

Інтерфейс OptiTex

Перлини мудрості

Людина надає кібернетичним машинам здатність творити і створює цим собі могутнього помічника.

Норберт Вінер, американський учений, видатний математик і філософ, основоположник кібернетики та теорії штучного інтелекту

Це цікаво

Штучний інтелект

У ЗМІ та кінофільмах періодично порушують тему про майбутнє, де людина на рівних спілкується з кібернетичними партнерами, які розуміють усі її емоції, команди і навіть гумор. Незважаючи на те, що поки подібні технології майбутнього залишаються на рівні розмов і мрій, у недалекому майбутньому вони зможуть змінити світ: науковці всього світу вже досягають перших успіхів у розробці програм, здатних розпізнавати емоції та думки людини. Наявні сьогодні програми використовують технології розпізнавання обличчя, що дає їм можливість розрізняти злість або смуток людини, а деякі здатні описати навколишню обстановку. Їх можна вважати першою сходинкою на шляху до створення роботів-машин зі штучним інтелектом, здатних ідентифікувати й описувати події, а потім повідомляти отриману інформацію людині.

Ще один напрям використання штучного інтелекту — діагностика захворювань за рентгенівськими знімками або результатами МРТ, що буде актуальним у країнах світу з дефіцитом кваліфікованих лікарів. Нові технології дадуть змогу навчати і тренувати фахівців, аналізувати знімки для виявлення ранніх ознак тих чи інших хвороб, вивчати вплив ліків на організм людини.

Перевірте себе

  • 1. Яка мета створення САПР?
  • 2. У чому відмінність понять «автоматичне проектування» й «автоматизоване проектування »?
  • 3. Що називають геометричним примітивом?
  • 4. Яке завдання 3D-моделювання?
  • 5. Що таке твердотільний об'єкт?
  • 6. З яких елементів складається тривимірна твердотільна модель?
  • 7. Який алгоритм побудови 3D-моделі у САПР?
  • 8. Які можливості системи КОМПАС-3D?
  • 9. Які операції КОМПАС-3D є базовими?
  • 10. Яка область застосування AutoCAD?
  • 11. Які можливості системи bCAD?
  • 12. Які системи автоматизованого проектування використовують для побудови викрійок одягу?

Ваша проектна діяльність

Теми пошукових, дослідницьких та інформаційних міні-проектів

  • «Історія створення САПР».
  • «Порівняльний аналіз систем КОМПАС-3D і AutoCAD».
  • «Дослідження популярності використання САПР у нашій місцевості».
  • «Пошук систем автоматичного проектування для вирішення проблеми проекту».
  • «Інтерв'ю з людиною, яка використовує САПР у професійній діяльності».
  • «Дослідницький проект «Життя без САПР».
  • «Доцільність використання САПР для виконання шкільних проектів».
  • «САПР через 50 років».

Ідеї для натхнення та втілення

БАНК ІДЕЙ ДЛЯ ТВОРЧИХ ПРОЕКТІВ

I. Виконання 3D-моделей виробів

Годинники з деревини

Скринька

Підставки

Полиці

Транспорт

Органайзер

Пристрій для обробки конструкційних матеріалів

Верстат для вишивання

Моделі механізмів

II. Конструювання та моделювання одягу

Рекомендовані джерела

  • 1. Ванін В. В. Теоретичні основи геометричного моделювання в машинобудівних САПР із прикладами в КОМПАС-3D : навчальний посібник / В. В. Ванін, Г. А. Вірченко. — К. : НТУУ «КПІ», 2011. — 140 с.
  • 2. Інженерна комп'ютерна графіка : підручник / Р. А. Шмиг, В. М. Боярчук, І. М. Добрянський, В. М. Барабаш. — Львів : Український бестселер, 2012. — 600 с.
  • 3. Прокопів В. В., Никируй Р. І. Система автоматизованого проектування КОМПАС-3D : навчальний посібник / В. В. Прокопів, Р. І. Никируй. — Івано-Франківськ : Вид-во ДВНЗ «Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника», 2012. — 92 с.
  • 4. Kirkpatrick J. M. The AutoCAD Book: Drawing, Modeling, and applications using AutoCAD 2004 / J. M. Kirkpatrick. — Eastfield College, USA, 2004. — 756 p.
  • 5. Sven G. Bilen. Introduction to Engineering Design / Sven G. Bilen. — School of Engineering. The Pennsylvania State University, USA, 2004. — 732 p.
  • 6. КОМПАС—3D LT: О программе — Официальный сайт САПР КОМПАС [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. — Режим доступу: http://kompas.ru/kompas-3d-lt/about
  • 7. Autodesk. 3D Design, Engineering & Entertainment Software [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. — Режим доступу: https://www.autodesk.com
  • 8. bCAD [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. — Режим доступу: http://www.bcad.ru
  • 9. Location Selector [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. — Режим доступу: NVIDIA http://www.nvidia.com