Содержание дисциплины «Инженерная графика» на базе компьютерных технологий

УДК 378.147

Якунин Вячеслав Иванович

доктор технических наук, профессор кафедры инженерной графики Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Филатова Ольга Игоревна

ассистент кафедры инженерной графики Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ «ИНЖЕНЕРНАЯ ГРАФИКА» НА БАЗЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Yakunin Vyacheslav Ivanovich

Dr. Sci., Professor, Engineering Graphics Department, Bauman Moscow State Technical University

Filatova Olga Igorevna

Assistant, Engineering Graphics Department, Bauman Moscow State Technical University

CONTENT OF THE ENGINEERING GRAPHICS DISCIPLINE BASED ON COMPUTER TECHNOLOGIES

Аннотация:

В статье рассмотрены возможности современных графических пакетов и их применение в обучении студентов технических вузов. Инженерная графика представлена двумя компонентами: областью геометрического моделирования и областью графического документирования. Предложен вид эскиза детали для создания ее компьютерной 3D модели. Также в статье затронуты методы поискового конструирования и составления функциональных структур технических систем.

Ключевые слова:

инженерная графика, компьютерная графика, 3D моделирование, обучение студентов, системы автоматизированного проектирования, функциональная структура технической системы.

Summary:

The article deals with the possibilities of the modern computer graphics packages and their application in the training of technical universities’ students. The engineering graphics is represented by two components: the area of geometric modeling and the area of graphic documentation. The authors propose a type of part’s sketch for building its 3D computer model. The article also discusses methods of exploratory design and preparation of functional structures of technical systems.

Keywords:

engineering graphics, computer graphics, 3D modeling, students’ training, computer-aided design, functional structure of the technical system.

С развитием компьютерных технологий современная конструкторская деятельность принципиально изменилась. Теперь вся соответствующая документация выполняется на компьютере с помощью специальных графических пакетов, таких как AutoCad, Inventor, SolidWorks, Catia, «Компас» и других. Они позволяют не только проектировать и редактировать чертежи, но и создавать трехмерные (3D) модели деталей, сборочных единиц и сложнейших готовых изделий (например, самолетов). В основу концепции современных систем автоматизированного проектирования ложится создание 3D модели детали, а затем возможность автоматического получение чертежа с помощью средств графического пакета и дальнейшее составление конструкторской документации в электронном виде. Появилось множество приложений для графических пакетов, позволяющих производить различные инженерные расчеты на проектируемые детали и сборочные единицы.

Трехмерное моделирование становится основой инженерной деятельности, а чертеж перестает быть необходимым компонентом документации. Так ведущие компании уже перестают использовать его, ограничиваясь созданием 3D модели детали, выполнением необходимых расчетов в компьютере и программированием для изготовления на станках с ЧПУ. Это значит, что и обучение конкурентоспособных студентов должно опираться на 3D моделирование, а также на составление конструкторской документации (в том числе и чертежа) средствами компьютерной графики.

На данном этапе развития технологий инженерную графику следует разделять на две составляющие: область геометрического моделирования и область графического документирования (рисунок 1). Первая основывается на алгебраической, дифференциальной, аналитической и начертательной геометрии и является началом на пути к созданию модели детали. Без понимания способов образования простых тел (цилиндр, конус, куб) и других сложных поверхностей (гиперболоид или параболоид) невозможно создать 3D модель детали как простой, так и состоящей из множества сложных форм (например, корпусной детали).

Рисунок 1 - Составляющие инженерной графики

В графике непосредственно к формообразованию добавляются функциональные элементы деталей, такие как: резьба, фаска, шестигранники, необходимые для использования ключа при завинчивании резьбы и другое. Здесь необходимы расчеты параметров данных элементов для конкретной детали, которые, в свою очередь, образуют между собой сборочные единицы и функциональные узлы, что накладывает определенные требования на все детали сборочной единицы одновременно. В зависимости от ее назначения и других условий технического задания, согласно классификации Г.Б. Евгеньева [1], соединения деталей могут представлять собой подвижные/неподвижные разъемные, подвижные/неподвижные неразъемные соединения. На рисунке 2 приведены возможные типы соединения деталей, а также представлены примеры для каждого из них.

Разъемные

Неразъемные

Подвижные

Кинематические пары

Механические

передачи

Неподвижные

Подвижные Неподвижные

Винтовое соединение — Развальцовка

—I Болтовое соединение I— Завальцовка

Сварка

Шпилечное

соединение

Склеивание

1— Пайка

Рисунок 2 - Типы соединения деталей

Студентам необходимо уметь различать все типы соединения деталей на чертеже, рассчитывать их параметры и правильно отображать. Для отработки этих задач удобно использовать средства двухмерной графики, например, с помощью графического пакета AutoCAD. Стало возможным создание нескольких слоев на одном чертеже одновременно, отображение которых можно регулировать. Так, помещая в видимый слой условия задания (например, соединение двух деталей винтом в двух проекциях), а в скрытые слои - поэтапное решение и комментарии, студенты могут отрабатывать стандартные задачи и тут же самостоятельно их проверять. Это позволяет экономить время студента на выполнение задания, так как имеется заготовка чертежа, а также не дожидаться следующего занятия для проверки задания. Более того, студент получает информацию не только о месте своей ошибки, но и о способе ее устранения, а также получает возможность перейти по ссылке к подробному описанию этой темы для заполнения пробелов в знаниях. В результате учащийся за меньшее время может выполнить большее количество задач, что позволяет легко и с интересом довести свои умения до автоматизма.

Для создания трехмерной модели с помощью графического пакета, кроме простейших случаев, требуется предварительное составление эскиза. Однако эскиз, в классическом понимании,

как чертеж, выполненный от руки с соблюдением пропорций детали, становится неактуальным для решения новой задачи - создания ее трехмерной модели. Работая в трехмерном пространстве, требуются параметры формы каждого тела и функционального элемента, а также их взаимного расположения. Для представления модели детали удобно использовать матрицу смежности (таблица 1), где Р1 - параметры формы тела, Qj - параметры положения тела, Кф - зависимости параметров формы от других параметров данной детали, Кп - зависимости параметров положения от других параметров, ЕР - суммарное количество независимых параметров детали [2].

Таблица 1 - Матрица смежности вала-шестерни

№ Тело-примитив РІ Кф Кп ЕР

1. С.Т. вращения п1,М,И2,с2; п3,И3,Іі4,с4; п 5,И5 п1,М,И2,с2 п3,И3,И4,с4 п 5,И5

2. Шестерня п6,И6,т6,2б - - - п6,И6,т6,2б

3. С.Т. вращения пп о - - - 00 ,с со .с I4-" О) .с .с і4-” оТ пп

4. Шпоночный паз Ь10,!10Д10 х10, и10 110 = і (Ь,!) и10 = 1/2п1 Ь10, 110, х10

Е 23 2 1 1 23

Создание параметрических моделей позволяет без деформации одних элементов детали менять другие или изменять размеры всех элементов одновременно без создания новой детали, а лишь исправив значение одного или нескольких параметров от которых зависят все оставшиеся. Это дает возможность создания баз данных по деталям и функциональным элементам, сборочным единицам и функциональным узлам. В учебном процессе целесообразно также создавать свои базы данных и постоянно их расширять, с целью использования их при изучении сборочных единиц. Таким образом, студенты будут не только каждый раз создавать все детали, тратя на это огромное количество времени, но и подбирать их часть из базы, меняя при этом лишь несколько параметров исходя из данных своей задачи.

Еще одним важным инструментом обучения студентов, в частности решения эвристических задач, является методы автоматизированного конструирования. Основой в поисковом конструировании является в первую очередь определение функций технической системы (сборочной единицы), а затем установление функциональных взаимосвязей [3]. На основе этих данных строится функциональная структура, представляющая собой граф, состоящий из функциональных элементов. Например, шестеренчатый насос (рисунок 3) связан с взаимодействием двух объектов: VI - жидкость, проходящая через шестерни в корпусе и V2 - внешний электродвигатель. Функциональными элементами первого уровня являются: Е1 - узел корпуса, Е2 - зубчатое соединение, Е3 - уплотнительное устройство. Функциональные узлы второго уровня представляют собой части, составляющие узлы первого уровня, например, корпус, представлен передней крышкой, задней крышкой, шпильками, штифтами, шайбами и гайками.

Рисунок 3 - Функциональная структура шестеренчатого насоса

- 173 -

В заключение хотелось бы отметить важность использования компьютерной графики с позиции мотивации студентов. Они с удовольствием выполняют упражнения и решают задачи с помощью графических пакетов и с легкостью обретают навыки работы в этих системах. Студенты прекрасно понимают, что в конструкторских бюро чертежи в основном не выполняют вручную и поэтому неохотно делают традиционные в курсе инженерной графики задания. Необходимые навыки создания объекта они прекрасно приобретают с помощью средств компьютерной двухмерной графики.

Ссылки:

1. Евгенев Г.Б. Системология инженерных знаний: учеб. пособие. М., 2001. 376 с.

2. Горшков Г.Ф. Графические основы геометрического моделирования: учеб. пособие. М., 2009. 154 с.

3. Половинкин А.И., Бобков Н.К., Буш Г.Я. и другие. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании). М., 1981. 344 с.