УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА «КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА»

Гузненков В.Н.¹, Серегин В.И.², Журбенко П.А.³

¹кандидат технических наук, доцент; ²кандидат технических наук, доцент; ³старший преподаватель; Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА «КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА»

Аннотация

Описаны занятия по учебной дисциплине «Компьютерная графика» в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Рассмотрено содержание учебных модулей. Выделена стратегия построения электронных геометрических моделей деталей.

Ключевые слова: информационные технологии, компьютерная графика, учебный процесс, электронная геометрическая модель детали.

Guznenkov V.N.¹, Seregin V.I.², Zhurbenko P.A.³

¹Candidate of Technical Sciences; ²Candidate of Technical Sciences; ³Senior Lecturer; Bauman Moscow State Technical University

DISCIPLINE «COMPUTER GRAPHICS»

Abstract

We describe a class on a subject «Computer Graphics» in BMSTU. Considered the content of the training modules. Obtained strategy of building e-geometrical models of details.

Keywords: information technology, computer graphics, the learning process, e-geometrical model of detail.

С появлением первых вычислительных машин рассматривалась возможность использования их для автоматизации графических работ [1]. Компьютерная графика как учебная дисциплина в вузах возникла с доступностью электронных вычислительных машин и графопостроителей. В 90-е годы прошлого столетия дисциплина уже получила широкое распространение [2]. Сегодня информационные технологии представляют удобный инструментарий, который пришел на замену традиционным чертежным инструментам. Более того, возможности информационно-коммуникационных технологий используются для методического и дидактического обеспечения учебного процесса [3, 4].

В МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Инженерная графика» опробован современный курс геометро-графических дисциплин на основе «Компьютерной графики». За базовый пакет взята система автоматизированного проектирования (САПР) среднего уровня Autodesk Inventor.

Выбор системы Autodesk Inventor не случаен. Оценивались следующие факторы:

• перспективность и инновационность используемых информационных технологий;
• конкурентоспособность на мировом и отечественном рынках;
• распространенность на мировом и отечественном рынках;
• адаптируемость к отечественным нормативным документам (ГОСТы, СНИПы и др.);
• наличие разветвленной дилерской, системной и учебной сети по стране и в мире;
• ценовая политика компании-разработчика.

Компании Autodesk принадлежит целая линейка продуктов: AutoCAD, Inventor, 3DSMax, Alias, и т.д. Возможность экспорта моделей из приложения в приложение позволяет добиться лучшего эффекта при решении поставленных задач.

Обучение студентов реализовано в виде семинарских занятий: изложение материала, практическое занятие, выдача домашнего задания, проверка домашнего задания на следующем занятии. Занятия проводятся в классах, оборудованных компьютерами и экраном. Изложение материала выстроено в виде презентации. В аудитории студентам доступны методические пособия для практических занятий. Студенты обеспечены учебным пособием для самостоятельной работы [5]. Сетевой сервер обеспечивает хранение файлов студенческих работ. Программное обеспечение реализовано таким образом, что в компьютерных классах и на домашних компьютерах студентов установлено одинаковое программное обеспечение. Компания Autodesk распространяет бесплатно студенческие версии своих программных продуктов. Открытая политика компании позволила установить Autodesk Inventor в компьютерных классах общетехнических кафедр университета, выпускающих кафедр и в факультетских вычислительных центрах.

Вводное занятие посвящено правилам поведения в компьютерном классе, технологии сохранения и получения с сервера файлов, способам установки на личном компьютере программных продуктов компании Autodesk. Демонстрируются примеры студенческих работ.

Первый учебный модуль содержит термины и определения, стандарты Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Рассматриваются интерфейс и основные группы команд пакета Autodesk Inventor при работе в режиме «эскиз». Приводится структурная схема состава электронной модели детали. Рассматриваются простейшие геометрические фигуры (геометрические примитивы), геометрические зависимости, размерные зависимости.

Этапы построения контура.

1. Разбиение контура на примитивы, из которых может состоять контур.
2. Определение размеров для моделирования примитивов контура.
3. Выбор начального примитива и его расположения на рабочей плоскости для построения контура.
4. Определение последовательности построения примитивов контура.
5. Определение геометрических и размерных зависимостей для каждого примитива контура.

В качестве примера решается задача (строится электронная геометрическая модель «Контур»).

Изначально предполагая, что студенты будут использовать пакет Autodesk Inventor в своей учебной, научной и дальнейшей профессиональной деятельности, необходимо объяснить важность корректной работы в пакете. Например, в начале работы необходимо создать проект. Все файлы должны создаваться и храниться в этом проекте.

Второй учебный модуль включает работу в режиме «модель». Рассматриваются браузер (дерево построения), базовые операции, вспомогательная геометрия, команды навигации.

Базовые операции: выдавливание, вращение, лофт (по сечениям), сдвиг. Базовыми операциями создаются простые тела. Возможности базовых операций:

• перемещение контура без искажений по траектории, перпендикулярной рабочей плоскости;
• перемещение контура без искажений по траектории, не перпендикулярной рабочей плоскости;
• перемещение контура с искажением по траектории, перпендикулярной рабочей плоскости;
• перемещение контура с искажением по траектории, не перпендикулярной рабочей плоскости.

Критерием выбора базовой операции является наименьший пересчет размеров для моделирования при построении контуров элемента модели детали. Так, прямой круговой конус можно построить базовыми операциями: выдавливание (если уже известны диаметр основания и угол при вершине), вращение (если уже известны радиус основания и высота или длина образующей) лофт (если уже известны диаметр основания и высота).

Этапы построения электронной геометрической модели.

1. Разбиение детали на элементы, из которых может состоять модель детали
2. Определение расположения элементов относительно основных рабочих плоскостей
3. Определение размеров для моделирования элементов модели детали
4. Выбор операций для построения элементов модели детали и определение контуров для каждого элемента (см. этапы построения контура)
5. Определение последовательности построения элементов модели детали и количества используемых тел

В третьем учебном модуле рассматриваются конструкционные операции в режиме «модель»: отверстие, оболочка, резьба, ребро жесткости, пружина, сопряжение, фаска. Выбор операции определяется конструкционным назначением элемента. Критерием выбора как базовой, так и конструкционных операций также может служить наименьшее количество контуров для построения элемента модели детали.

Стратегия построения электронных геометрических моделей деталей.

1. Сбор и анализ данных геометрии детали. В качестве исходных данных могут быть: комплекты документации, комплекты электронной документации, реально существующий образец. После анализа исходных данных геометрии детали определяются элементы модели детали на основе геометрической формы или на основе конструктивной принадлежности. Следующим шагом определяется расположение элементов в модельном пространстве. Определяются размеры для моделирования.
2. Выработка решения для построения электронной геометрической модели детали. Первый шаг – выбор базовой или конструкционной операции. При выборе базовой операции в дальнейшем определяется способ построения по формообразованию, выбор операции по критериям, определение контуров. При выборе конструкционной операции – определение типа конструктивного элемента, определение контуров.
3. Построение электронной геометрической модели детали – определение последовательности построения элементов. Использование стандартного CAD-модуля.

Структурная схема электронной геометрической модели детали состоит из линейных и комплексных элементов. Линейный элемент – простой элемент модели детали, при построении которого используется одна операция и один или несколько контуров. Комплексный элемент – сложный элемент модели детали, при построении которого используются две и более операции и несколько контуров. Контуры и примененные к ним операции имеют определенную последовательность построения и иерархию.

Построенную электронную геометрическую модель детали необходимо проверить. Так, при построении быстрых редактируемых моделей необходимо провести проверку на отсутствие степеней свободы элементов детали.

Предложенная стратегия создания электронных геометрических моделей деталей применима для работы в любом пакете САПР. Придерживаясь этой стратегии можно создавать модели деталей любой сложности. Отличие только в количестве элементов.

Четвертый учебный модуль посвящен построению плоскостных изображений. Для выполнения чертежа используются готовые файлы-шаблоны, выполненные в соответствии с ЕСКД.

Выбор базового вида. За базовый вид можно взять любой из основных видов в зависимости от геометрии детали. Наличие и количество проекционных видов обеспечивает однозначное прочтение формы модели.

В Autodesk Inventor содержание изображений автоматически раскладывается по слоям. При редактировании изображений геометрические объекты можно переместить из слоя в слой. Также можно отредактировать содержание слоя – вес, цвет, форма линий.

При оформлении изображений необходимо учитывать свойство ассоциативности: при изменении формы или размеров электронной геометрической модели плоскостные изображения на чертеже должны перестраиваться автоматически.

При оформлении изображений учитываются требования стандартов ЕСКД на электронную документацию: ГОСТ 2.051 «Электронные документы. Общие положения»; ГОСТ 2.052 «Электронная модель изделия. Общие положения»; ГОСТ 2.053 «Электронная структура изделия. Общие положения». А также разработкой следующих стандартов: ГОСТ 2.511 «Правила передачи электронных конструкторских документов. Общие положения»; ГОСТ 2.512 «Правила выполнения пакета данных для передачи электронных документов. Общие положения»; ГОСТ 2.611 «Электронный каталог изделий. Общие положения»; ГОСТ 2.612 «Электронный формуляр. Общие положения». А также ГОСТ 2.004-88 «Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ».

В пятом учебном модуле рассматриваются дополнительные изображения: виды, разрезы, сечения, выносные элементы. Оформление графической и текстовой документации, заполнение основной надписи чертежа.

Возможности САПР позволяют автоматически оформлять техническую документацию любой сложности. Необходимо знать и активно использовать эти возможности, но это тема функционала пакета САПР. Функционал пакета САПР изучается на каждом занятии, но это не самоцель занятий. Поэтому перед каждым занятием необходимо четко определиться с минимумом изучаемого функционала.

Перед оформлением студенческих работ и получением твердых копий необходимо выполнить настройки под ЕСКД.

Твердые копии (чертежи) необходимы:

• это еще один этап проверки (на экране не всегда видны ошибки, неточности и недостатки);
• это результат работы студента в семестре.

Задачей шестого учебного модуля является выполнение моделей сборочных единиц, создание чертежей общего вида сборочных чертежей и технической документации. Задания этого модуля учитывают специализацию будущих выпускников университета.

В дальнейшем компьютерная графика должна раствориться в дисциплинах начертательная геометрия (с ее модельной идеологией) и инженерная графика (создание конструкторской документации) [6].

Литература

1. Фролов С.А. Начертательная геометрия: Учебник. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ИНФРА-М, 2007. – 286 с.
2. Информационные технологии в инженерном образовании / Под ред. С.В. Коршунова, В.Н. Гузненкова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 432 с.
3. Гузненков В.Н., Журбенко П.А. Учебный процесс с использованием графических пакетов // Теория и практика общественного развития. – 2014. – № 1. – С. 173–175.
4. Гузненков В.Н., Журбенко П.А. Информационное оснащение аудиторных занятий // Теория и практика общественного развития. – 2013. – № 12. – С. 249–252.
5. Гузненков В.Н., Журбенко П.А. Autodesk Inventor 2012. Трехмерное моделирование деталей и создание чертежей: учеб. пособие. – М.: ДМК Пресс, 2012. – 120 с.
6. Гузненков В.Н., Журбенко П.А. Модель как ключевое понятие геометро-графической подготовки // Alma mater (Вестник высшей школы). – 2013. – № 4. – С. 82–87.

References

1. Frolov S.А. Nachertatelnaya geometriya. – М.: INFRА-М, 2007. – 286 s.
2. Informatsionnye tekhnologii v inzhenernom obrazovanii / Pod red. S.V. Коrshunov, V.N. Guznenkov. – М.: BMSTU, 2007. – 432 s.
3. Guznenkov V.N., Zhurbenko P.A. Uchebnyi protsess s ispolzovaniem graficheskikh paketov // Theory and practice of social development. – 2014. – № 1. – S. 173–175.
4. Guznenkov V.N., Zhurbenko P.A. Informatsionnoe osnaschenie auditornykh zanyatiy // Theory and practice of social development. – 2013. – № 12. – S. 249–252.
5. Guznenkov V.N., Zhurbenko P.A. Autodesk Inventor 2012. – М.: DМК Press, 2012. – 120 s.
6. Guznenkov V.N., Zhurbenko P.A. Моdel kak klyuchevoe ponyatie geometro-graficheskoy podgotovki // Alma mater. – 2013. – № 4. – S. 82–87.