Тема 9. Тривимірна (3D) графіка. КОМПАС-3D

1. Тривимірне моделювання

Тільки недавно процес створення виробу традиційно складався з таких етапів: проектування виробу на рівні креслень -> виготовлення експериментального зразка -> виробниче випробовування виробу -> редагування креслень, виходячи з аналізу результатів випробувань -> запуск виробу у виробництво.

Переваги 3D моделювання

Використання систем 3D моделювання докорінно змінює цю послідовність. Проектування виробу в 3D системі починається з побудови тривимірної моделі деталі чи зборки – один з перших етапів на шляху до її виготовлення. І коли нарешті, "ідеальна" із практичної і технологічної точок зору модель готова, можна приступати до виготовлення виробу. Для цього необхідні, звичайно ж, складальні та робочі креслення, креслення загального вигляду. Для успішного створення і супроводу проектів потрібна система, що допомагала б розробнику стежити за відповідністю створеної моделі та її креслення. Саме таку можливість повною мірою надає система КОМПАС. За її допомогою користувач може створити систему взаємозалежних документів: тривимірної моделі, її креслень і специфікації.

Тривимірне моделювання деталей чи збірок є більш зрозуміли і наочним для конструктора, оскільки дає можливість оперувати такими простими і природними поняттями як основа, отвір, ребро жорсткості, фаска, оболонка і т. п, а не термінами традиційного набору геометричних примітивів - відрізок, дуга, коло і т.д., як у випадку двомірних систем проектування. При цьому, процес тривимірного проектування часто відтворює технологічний процес виготовлення деталі.

Після побудови ЗD-моделі деталі чи зборки конструктор може автоматично отримати її креслення, уникнувши рутинного створення виглядів засобами плоского креслення. Для побудови проекцій вказуються необхідні вигляди, проводяться лінії розрізів чи перерізів. Плоске креслення буде створене автоматично і з абсолютною точністю, незалежно від складності моделі. Отриманий документ можна доопрацьовувати вбудованими в систему засобами 2D-креслення: проставити розміри, позначити позиції, заповнити основний напис чи підготувати специфікацію.

Тривимірні твердотільні моделі містять у собі повну геометричну інформацію, необхідну для роботи систем інженерного аналізу (CAE) - розрахунку напружено-деформованого стану при прикладанні статичних та динамічних навантажень; моделювання потоків і т.п. Аналогічно до 3D моделі можна застосувати системи її виготовлення (CAM).

Крім побудови будь-якої аксонометричної проекції, ЗD-системи дозволяють будувати рознесені вигляди виробу, які демонструють порядок зборки, розбирання чи технічного обслуговування виробу.

Основні складові 3D моделювання

Півпростір – частина 3-мірного простору, яка лежить по одну сторону від поверхні (наприклад, площини). Кожна поверхня є межею двох півпросторів, на які ділиться 3-мірний простір. Поверхня має лише площу.

Тіло – частина простору, яка обмежена замкнутою поверхнею (гранями). Тіло має об’єм. Вважається, що тіло заповнене однорідними матеріалом.

Тіло як примітив – найпростіший (базовий, основний) об’єкт, за допомогою якого можна будувати більш складніші твердотільні об’єкти. Приклади твердотільних примітивів: Циліндр, Конус, Шар, Тор, Клин та інші.

Область як примітив – замкнута 2-вимірна область, яка отримана із 2-вимірних примітивів (кругів, багатокутників, еліпсів, кілець тощо).

Складена область – область, яка одержана за допомогою логічних операцій - об’єднання, виділення та перерізу декількох інших областей. Область може мати отвори. Область має конкретну площу.

Грань – обмежена частина поверхні. Розрізняють 5 типів граней: планарні, циліндричні, конічні, сферичні та тороїдальні.

Ребро – лінія, яка обмежує грань (або ж розділяє дві грані). Розрізняють 4 типів ребер: прямолінійні, еліптичні (кругові), параболічні та гіперболічні.

Вершина – точка на кінці ребра (перетину двох ребер).

Об’єкт – загальна назва для областей та твердих тіл. Об’єктом називають декілька тіл, одержаних із інших тіл за допомогою логічних операцій.

Компонент – деталь чи підзборки, що входить у склад зборки.

Спряження – параметричний зв’язок між компонентами зборки, що формується шляхом вказування взаємного положення елементів.

Для твердих тіл можна визначити такі їх характеристики як центр ваги, масу, площу поверхні, момент інерції тощо.

Булеві операції

Тіло чи область, які створені шляхом об’єднання із простих об’єктів називають складеними. Складений об’єкт завжди має один із двох типів - складене тіло чи складену область.

Для створення складених об’єктів із простих передбачені булеві операції:

• об’єднання (union) - з’єднання об’єктів в один об’єкт.
• перетин (intersect) - визначення загального об’єму чи площі об’єктів.
• віднімання (subtvect) - відняти (відрізати) один об’єкт від іншого.

Самоконтроль

v  Що називають гранню, ребром та вершиною 3D об’єкта?

v  Які існують основні булеві операції?

2. Тривимірні операції

Для створення форми об’ємних елементів виконується переміщення плоскої фігури в просторі, траєкторія (слід) від якої визначає форму елемента (наприклад, переміщення багатокутника утворить призму, обертання лінії навколо осі – тіло обертання і т. д.).

Ескізи

Проектування нової деталі завжди починається зі створення її базового тіла шляхом виконання операції над ескізом (чи декількома ескізами), яке надалі будемо називати основою. Під основою розуміють геометричний об’єкт, створений першим, до якого в процесі подальшого проектування будуть додавати (чи віднімати) інші геометричні об’єкти, виконуючи булеві операції. Основа є обов’язково в кожній деталі.

Ескіз – об’єкт з якого починається створення твердотільної деталі. Він може бути розміщеним в одній з ортогональних площин проекції, на плоскій грані існуючого вже тіла чи в допоміжній площині, положення якої задано користувачем.

Виконання ескізу на площині виконується стандартними засобами креслярсько-графічного редактора КОМПАС-Графік. При створенні ескіза доступні всі команди побудови і редагування зображення, команди параметризації і сервісні можливості редактора. Єдиним виключенням є неможливість введення деяких технологічних позначень, об’єктів оформлення та таблиць.

Ескіз може містити і текст. По закінченні створення ескізу всі тексти в ньому перетворяться в один чи декілька контурів, що складаються з кривих NURBS (нерегулярний раціональний В-сплайн).

Вимоги до ескізу:

• Області не повинні мати самоперетин або ж бути відкритим.
• Вісь обертання не повинна перетинати область не більше чим в одній точці.

Операції

Системою передбачені наступні базові операції:

• видавлювання – створення об’ємного елемента (деталі) шляхом переміщення ескізу в напрямку, перпендикулярному площині ескізу;
• обертання – створення об’ємного елемента (деталі) шляхом обертання ескізу навколо осі, що лежить у площині ескізу;
• кінематична – створення об’ємного елемента (деталі) шляхом переміщення ескізу вздовж зазначеної напрямної;
• по перерізах – створення об’ємного елемента за декількома перерізами-ескізами, які розглядаються як перерізи цього елемента в декількох паралельних площинах.

Кожна операція має додаткові опції, що дозволяють вибирати різні варіанти побудови тіла. Так, при видавлюванні ескізу можна задати відстань і напрямок видавлювання щодо площини ескізу і при необхідності ввести кут ухилу. При обертанні ескізу можна задати кут і напрямок повороту щодо площини ескізу і вибрати тип тіла - тороїд чи сфероїд (якщо контур ескізу не замкнутий). При виконанні кінематичної операції можна задати орієнтацію твірної щодо направляючої (збереження нормалі, кута нахилу чи ортогональності).

В усіх типах операцій можна включати опцію створення тонкостінної оболонки і задати товщину і напрямок побудови стінки – усередину, назовні чи в обидва боки від поверхні тіла, утвореного операцією.

Після створення базового тіла виконується “приклеювання” чи “вирізання” додаткових об’ємів. Кожний з них представляє собою тіло, утворене за допомогою перерахованих вище операцій над новими ескізами. При виборі типу операції потрібно вказати, буде створюване тіло відніматися з основного об’єму чи додаватися до нього.

Прикладами віднімання об’єму з деталі є отвори, проточки, канавки, а прикладами додавання об’єму – виступи, ребра.

Додаткові операції 3D моделювання

При введенні параметрів операції вирізання чи приклеювання доступно дещо більше опцій, ніж у базовій (найпершій) операції. Додаткові опції дозволяють спростити задання параметрів. Наприклад, при створенні наскрізного отвору можна не розраховувати його довжину, а вибрати опцію “Через всю деталь”, а при створенні виступу вказати, що її треба побудувати до вказаної поверхні.

Додаткові операції дозволяють спростити задання параметрів найбільш розповсюджених конструктивних елементів – фаски, скруглення, циліндричного отвору і т. п. Так, для побудови фаски не потрібно малювати ескіз, переміщати його уздовж ребра і віднімати об’єм, що вийшов, з основного тіла. Достатньо вказати ребро для побудови фаски і ввести її параметри – величину катетів чи величину катета і кут. Аналогічно при побудові отвору вибирають його тип (наприклад, отвір глухий) і вводять значення параметрів, що його визначають (діаметр та глибину).

Якщо при побудові тіла потрібно виконати кілька однакових операцій, то можна скористатися командою “Копія”. У КОМПАС-3D доступні різноманітні способи копіювання: копіювання по сітці, по колу, уздовж кривої, дзеркальне копіювання. Для створення деталі, що має площину симетрії, можна скористатися командою “Дзеркально відобразити все”, а для одержання деталі, симетричної існуючій – командою “Дзеркальна деталь”.

Самоконтроль

v  Назвіть основні чотири операції створення 3D моделі об’єкта.

v  Які існують додаткові операції редагування 3D об’єкта в КОМПАС-3D?

3. Короткий анлізу інтерфейсу КОМПАС-3D

КОМПАС-3D володіє широким інструментарієм створення та редагування 3D об’єктів.

Панель інструментів Компактна

Панель Компактна для 3D документів включає:

• Редагування деталі
• Просторові криві
• Поверхні
• Допоміжна геометрія
• Вимірювання (3D)
• Фільтри
• Елементи оформлення

Редагування деталі

На основній панелі інструментів для 3D документа Редагування деталі знаходяться команди для побудови елементів деталі шляхом додавання матеріалу (операції видавлювання, обертання, кінематична операція і операція по перетинах) і шляхом видалення матеріалу (вирізати видавлюванням, обертанням, кінематично, по перерізах). Інші команди: деталь-заготовка, фаска, отвір, ребро жорсткості, ухил, оболонка, перетин поверхнею, масив по концентричній сітці, дзеркальний масив, булева операція.

Просторові криві

Сюди відносяться: точка, спіраль циліндрична, спіраль конічна, ламана, сплайн.

Поверхні

Тут доступна тільки одна команда: імпорт поверхні з файлу формату ACIS (розширення .sat)

Допоміжна геометрія

Доступні команди: вісь через дві вершини, зміщена площину, лінія роз’єму.

Виміру (3D)

Ця панель містить команди для різних обчислень: відстань і кут, довжина ребра, площа, МЦХ моделі, інформація про об’єкт.

Фільтри

Команди панелі Фільтри використовуються для випадку, коли важко виділити якийсь об’єкт в моделі. Наприклад, потрібно виділити ребро, а поряд з ребром є грань, яка помилково може виділитися. Для того, щоб цього не відбувалося можна фільтрувати грані, ребра, вершини, конструктивні площині, конструктивні осі. Спочатку активна команда фільтрувати все.

Елементи оформлення

Команди цієї панелі інструментів дозволяють проставити на 3D моделі деталі лінійний розмір, кутовий, радіальний, діаметральний, шорсткість, базу, лінію-виноску, допуск форми.

Дерево моделі

Дерево моделі - графічне представлення набору об’єктів, що становлять деталь.

У Дереві моделі відображаються: позначення початку координат, площини, осі, ескізи, операції і Покажчик закінчення побудови моделі. Деталі розташовуватися в Дереві в порядку створення або групуватися за типами.

Кожен елемент автоматично виникає в Дереві моделі відразу після того, як він створений. Назва присвоюється елементам також автоматично залежно від способу, яким вони отримані. Наприклад, «Вісь через ребро», «Площина через три вершини», «Операція обертання», «Фаска» і т. Д.

У деталі може існувати безліч однотипних елементів. Щоб розрізняти їх, до назви елемента автоматично додається порядковий номер елемента даного типу. Наприклад, «Скруглення: 1» і «Скруглення: 2».

Можна перейменувати будь-який елемент в Дереві моделі. Для цього необхідно двічі клацнути мишею по його назві; воно відкриється для редагування. Введіть нову назву елемента і клацніть мишею поза списком елементів дерева. Нова назва елемента буде збережено в Дереві моделі.

Зліва від назви кожного об’єкта в Дереві відображається піктограма, відповідна способу, яким цей елемент отриманий. Піктограму, на відміну від назви об’єкта, змінити неможливо. Завдяки цьому при будь-якому перейменування елементів у Дереві побудови залишається наочна інформація про спосіб і порядок їх створення.

Дерево моделі служить не тільки для фіксації послідовності побудови, але і для полегшення вибору і вказівки об’єктів при виконанні команд.

Зазвичай піктограми відображаються в Дереві моделі синім кольором. Якщо об’єкт виділений, то його піктограма у Дереві зелена. Якщо об’єкт вказаний для виконання операції, то його піктограма у Дереві червона.

Можна відключити показ Дерева моделі. Для цього з меню Вид викликається команда Дерево моделі.

Самоконтроль

v  Які основні панелі інструментів для створення та редагування в КОМПАС-3D?

v  Яке призначення Дерево моделі?

4. Управління зображенням моделі

Для управління масштабом зображення моделі призначені команди Збільшити масштаб рамкою, Збільшити масштаб, Зменшити масштаб, Масштаб по виділених об’єктах, Наблизити / віддалити, Показати все. Ці команди розташовані в меню Вид, а кнопки для швидкого доступу - на панелі Вид.

Для швидкого зсуву зображення (без виклику спеціальної команди) можна скористатися клавіатурними комбінаціями <Shift> + <стрілки>. Натискання на будь-яку з них викликає переміщення зображення у відповідну сторону.

При створенні моделі може виникнути необхідність бачити її з різних сторін. Для цього в КОМПАС-3D передбачена можливість обертання моделі - команда Вид | Повернути або натискається кнопка Повернути на панелі Вид. Натискання на стрілку поруч із цією кнопкою викликає меню з переліком стандартних назв орієнтацій: зверху, знизу, зліва, справа, спереду, ззаду, Ізометрія XYZ, Ізометрія YZX, Ізометрія ZXY, (кожне з них відповідає напрямку погляду спостерігача на модель). З цього меню вибирається команда, відповідна потрібної орієнтації. Зображення буде перебудовано відповідно до заданого напряму погляду.

Можна не тільки використовувати стандартні назви орієнтацій, але й запам’ятовувати поточну орієнтацію під яким-небудь ім’ям, а потім повертатися до неї в будь-який момент, вибравши це ім’я зі списку. Для цього слід натиснути кнопку Орієнтація. На екрані з’явиться діалогове вікно Орієнтація виду зі списком існуючих в моделі назв орієнтацій. Далі треба натиснути кнопку Додати і ввести назву нової орієнтації, яке з’явиться в списку назв орієнтацій. Нова назва з’явиться в меню кнопки Орієнтація на панелі Вид.

В КОМПАС-3D доступні різноманітні способи копіювання елементів: копіювання по заданій сітці, по колу, вздовж кривої, дзеркальне копіювання, а також створення "дзеркальних" деталей. Крім того, можливе створення масиву копій за зразком; в цьому випадку параметри нового масиву співпадають з параметрами існуючого.

Візуалізація 3D моделі

При роботі в КОМПАС-3D доступно кілька типів відображення моделі: каркас, відображення без невидимих ліній або з тонкими невидимими лініями і напівтонове відображення. Щоб вибрати тип відображення, викличте команду Вид | Відображення і вкажіть потрібний варіант. Можна також скористатися кнопками на панелі Вид.

Каркас являє собою сукупність всіх ребер і лінії нарису моделі. Щоб відобразити модель у вигляді каркаса, потрібно викликати команду Вид | Відображення | Каркас або натиснути кнопку Каркас на панелі Вид:

Відображення моделі з видаленням невидимих ліній являє собою сукупність видимих (при поточній орієнтації моделі) ребер, видимих частин ребер і лінії нарису моделі. Щоб відобразити модель без невидимих ліній, слід викликати команду Вид | Відображення | Без невидимих ліній або натиснути кнопку Без невидимих ліній на панелі Вид.

Невидимі лінії (невидимі ребра і частини ребер) можна відобразити відрізняється від видимих ліній (більш світлим) кольором.

Напівтонове відображення дозволяє побачити поверхню моделі і отримати уявлення про її формі. Щоб отримати напівтонове відображення моделі, треба викликати команду Вид | Відображення | Півтонове або натиснути кнопку Півтонове на панелі Вид. При напівтоновому відображенні моделі враховуються оптичні властивості її поверхні (колір, блиск, дифузія і т. Д.).

За допомогою перспективи можливо отримати ще більш реалістичне зображення деталі відповідно до особливостей зорового сприйняття людини. Точка сходу перспективи розташована посередині вікна деталі. Всі перераховані раніше режими відображення (каркасне, напівтонове, без невидимих ліній і з тонкими невидимими лініями) можна поєднувати з перспективною проекцією. Для отримання відображення моделі з урахуванням перспективи слід викликати команду Вид | Відображення | Перспектива або натиснути кнопку Перспектива на панелі Вид.

Який би тип відображення не був вибраний, він не робить впливу на властивості моделі. Наприклад, при виборі каркасного відображення модель залишається суцільною і твердотільної (а не перетворюється в набір «дротяних» ребер), просто її поверхню і матеріал не показуються на екрані.

Самоконтроль

v  Які види аксонометрії передбачено в КОМПАС 3D?

v  Як здійснюється наближення або ж віддалення від об’єкта?

v  Які типи відображення 3D моделі існує в КОМПАС 3D?