Grafika komputerowa Programy CAD 1
Grafika komputerowa Dział informatyki zajmujący się wykorzystaniem komputerów do generowania obrazów oraz wizualizacją rzeczywistych danych. Jest narzędziem powszechnie stosowanym w nauce, technice, kulturze oraz rozrywce Zastosowania: kartografia, wizualizacja danych pomiarowych i symulacji komputerowych, diagnostyka medyczna, kreślenie i projektowanie wspomagane komputerowo (CAD), przygotowanie publikacji (DTP), efekty specjalne w filmach, gry komputerowe. 2
Grafika komputerowa Grafika dwuwymiarowa (2D) wszystkie obiekty są płaskie każdy obraz rastrowy należy do tej kategorii Grafika trójwymiarowa (3D) obiekty są umieszczone w przestrzeni trójwymiarowej i celem programu komputerowego jest przede wszystkim przedstawienie trójwymiarowego świata na dwuwymiarowym obrazie 3
Grafika rastrowa Reprezentacja obrazu za pomocą pionowo-poziomej siatki odpowiednio kolorowanych pikseli na monitorze komputera Bez zastosowania kompresji kolor każdego piksela jest definiowany osobno Umożliwia uzyskanie dużego realizmu kolorystycznego poprzez indywidualne określanie barwy każdego elementu. Wielkość plików szybko rośnie wraz z rozdzielczością (liczbą pikseli) obrazu. 4
Grafika rastrowa Zastosowanie: Grafika fotorealistyczna, Cyfrowa obróbka obrazu, Fotografia cyfrowa, Telewizja cyfrowa i wideo, Internet Formaty plików BMP mapa bitowa TIF Tagget Image File Format JPG, JPEG pełna paleta barw RGB stratną kompresja DCT. PNG - Potrable Network Graphics 5
Grafika wektorowa Obraz jest rysowany za pomocą kresek lub łuków i innych figur geometrycznych, dla których zapamiętywane są charakterystyczne dane. obraz opisany jest za pomocą 2D - figur geometrycznych 3D - brył geometrycznych umiejscowionych w matematycznie zdefiniowanym układzie współrzędnych, 6
Grafika wektorowa Zalety: skalowalność, prostota opisu, mniejszy rozmiar pliku wynikowego, opis przestrzeni trójwymiarowych, możliwość użycia ploterów CAM, możliwość konwersji do grafiki rastrowej. Wady ogromna złożoność pamięciowa dla obrazów fotorealistycznych 7
Grafika wektorowa Zastosowanie schematy naukowe i techniczne mapy i plany, logo, herby, flagi, godła, różnego typu znaki, np. drogowe, część graficznej twórczości artystycznej (np. komiksy) fonty Formaty zapisu i programy W3C : *.svg Autodesk AutoCAD, INVENTOR: *.dxf, *.dwg, *.ipt CorelDraw: *.cdr Microsoft: *.wmf STEP LINE 5 207 330 1F 100 AcDbEntity 8 pasmo 100 8
Powiększanie obrazu 9
Programy CAD Modelowanie graficzne Dokumentacja techniczna 10
Techniki CAD CAD (Computer Aided Design) Komputerowo Wspomagane Projektowanie Narzędzia i techniki wspomagające prace w zakresie: projektowania, modelowania geometrycznego, tworzenia i opracowywania dokumentacji konstrukcyjnej, w tym struktury produktu i list kompletacyjnych, opracowywania dokumentacji technologicznej (karty i formularze operacji technologicznych wraz ze szkicami), przeznaczonej do obróbki na konwencjonalnych obrabiarkach. 11
Koncepcja Obliczenia wytrzymałościowe Inne analizy Optymalizacja Cyfrowe modelowanie geometryczne CAD Multimedialna prezentacja produktu Sporządzenie dokumentacji Wirtualna obróbka Wytwarzanie 12
Systemy CAD Od deski kreślarskiej do numerycznego modelu parametrycznego 3D 1980 125 tys USD, 16bit, 512kB RAM, 20Mb HDD 1982 AutoCAD, Catia 1988 ProEngineer 1993 SolidWorks 14
Systemy CAD CATIA NX ProEngeener Modelowanie najwyższego poziomu SolidEdge SolidWorks Microstation Inventor Modelowanie średniego poziomu IronCAD MechnicalDesktop Kreślenie CADD VersaCAD AutoCAD 15
Autodesk AutoCAD AutoCAD Mechnical AutoCAD Electrical Inventor 16
Autodesk 360 17
Autodesk 360 18
Rysowanie 2D Autodesk AutoCAD 19
Elementy geometryczne Punkt Linia, łuk, splajn. Dwuwymiarowe powierzchnie Trójwymiarowe bryły Modele krawędziowe Modele powierzchniowe Modele bryłowe 20
Układy współrzędnych Na płaszczyźnie 2D Kartezjański prostokątny biegunowy Na płaszczyźnie 3D Prostokątny kartezjański Biegunowy (sferyczny) Walcowy (cylindryczny) 21
Układ dwuwymiarowy Układ kartezjański Command: line From point: #-2,1 To point: @5,0 To point: @0,3 To point: @-5,-3 22
Układ dwuwymiarowy Układ biegunowy P(r,j) długość promienia wodzącego r kąt obrotu j, x y r cos( ) r sin r x 2 arctan y 2 y x Command: line From point: @3<45 To point: @5<285 23
Układ trójwymiarowy Układ kartezjański p(x,y,z) r x 2 y 2 z 2 From point: 0,0,5 To point: 3,4 24
Układ trójwymiarowy Układ cylindryczny (walcowy) r długości rzutu promienia wodzącego na płaszczyznę XY Kąt j jaki tworzy rzut r z osią X z współrzędna j x 2 y 2 j arctan y x arcsin y r x r cos( j) y r sin z z j 25
Układ trójwymiarowy Układ sferyczny x y z r długości promienia wodzącego oraz dwóch kątów u i j, jakie promień r tworzy z osią Z i odpowiednio rzut promienia r na płaszczyznę XY z osią X r cos( u)cos r sin( u)sin z sin u j j r j u x 2 arctan arcsin y 2 y x z r z 2 26
Lokalne układy współrzędnych 27
Warstwy Warstwy są odpowiednikiem przezroczystych folii nakładanych na rysunek. służą do szybkiego grupowania i zarządzania informacjami w zależności np. od ich funkcji. 28
Elementy geometryczne Linia Za pomocą polecenia LINIA można tworzyć serie segmentów linii ciągłej. Poszczególne segmenty to obiekty liniowe, które można edytować osobno Polilinia to sekwencja połączonych segmentów utworzonych jako pojedynczy obiekt. Można utworzyć prostoliniowe segmenty linii, segmenty łuków lub kombinacje obu 29
Elementy geometryczne Za pomocą polecenia PROSTOK można tworzyć zamknięte polilinie o kształcie prostokąta. Za pomocą polecenia WIELOBOK można tworzyć zamknięte polilinie, które mają od 3 do 1024 równych boków. 30
Elementy geometryczne Łuki Aby narysować łuk, można określić różne kombinacje środka, końca, punktu początkowego, promienia, kąta cięciwy i zwrotu. Okręgi Aby tworzyć okręgi, można określić różne kombinacje środka, promienia, średnicy, punktów na obwodzie i punktów innych obiektów. 31
Elementy geometryczne Splajny (krzywa B-sklejana) Umożliwia utworzenie gładkiej krzywej przechodzącej przez punkt dopasowania lub w pobliżu wierzchołków sterujących 32
Techniki CAD - więzy Geometryczne 33
Techniki CAD - więzy Wymiarowe 34
Techniki CAD - parametry Definiowanie cech obiektu który chcemy aby był parametryczny. Zamiast podawać długość odcinka definiujemy ją jako zmienną. Może być ona wyrażona prostą zależnością lub skomplikowanym wzorem 35
Modelowanie 3D Autodesk AutoCAD Autodesk Inventor 36
Modele cyfrowe lp Rodzaj modelu Struktura modelu 1 Krawędziowy punkty + linie (odcinki, splajny, okręgi ) 2 Powierzchniowy powierzchnie (NURBS, ) 3 Bryłowy CSG prymitywy objętościowe 4 Bryłowy B-rep zamknięte powierzchnie graniczne 5 Bryłowy hybrydowy bryłowy CSG + bryłowy B-rep 6 Fraktalny wykorzystuje się samopodobieństwo dokładne lub statystyczne 7 Bryłowy wokselowy przestrzeń opisana rastrem 3D 37
Modele bryłowe Model bryłowy jest zamkniętym obiektem 3D z przypisanymi właściwościami, takimi jak masa, objętość, środek ciężkości i moment bezwładności Podstawą pracy podczas modelowania mogą być prymitywy bryłowe, takie jak stożki, kostki, walce i ostrosłupy, Prymityw można zmodyfikować oraz ponownie połączyć, aby utworzyć nowe kształty. Można również narysować niestandardowe wyciągnięcie polibryły i utworzyć bryły różnymi operacjami ukosowania na podstawie linii i krzywych 2D. 38
Modele bryłowe 39
Modele powierzchniowe Model powierzchni jest cienką powłoką, której nie są przypisane masa ani objętość W programie AutoCAD oferowane są dwa typy powierzchni: proceduralne i NURBS utworzeniu podstawowego modelu z użyciem siatki, brył i powierzchni proceduralnych, a następnie przekształceniu ich w powierzchnie NURBS 40
Modele powierzchniowe 41
Modele krawędziowe (siatki) Model siatki składa się z wierzchołków, krawędzi i ścian, w przypadku których do zdefiniowania kształtu 3D jest używana reprezentacja za pomocą wielokątów (w tym trójkątów i czworoboków). W przeciwieństwie do modeli bryłowych do siatki nie są przypisane właściwości fizyczne Modele siatki można następnie zmodyfikować na sposoby, które nie są osiągalne w przypadku powierzchni lub brył 3D (fałdowania, podziały i zwiększanie poziomów gładkości) 42
Modele krawędziowe (siatki) 43
Techniki modelowania 3D Biblioteka każdego programu CAD zawiera skończoną liczbę standardowych obiektów 3D. W przypadku bardziej złożonych obiektów użytkownik ma do dyspozycji pewien zbiór komputerowych narzędzi i technik, za pomocą których może narysować dowolny model 3D. Każdy program CAD zawiera specyficzny dla siebie zbiór narzędzi, ale niektóre techniki modelowania są podobne 44
Techniki modelowania 3D Invenetor 2011 45
Techniki modelowania 3D Wyciągnięcie proste dodanie przestrzenności prostopadle do szkicu 2D 46
Wyciągnięcie proste Techniki modelowania 3D 47
Techniki modelowania 3D Obrót Tworzy koncentryczne wyciągnięcie dookoła osi lub szkicu prostoliniowego. 49
Obrót Oś obrotu Obrót o 135 stopni Obiekt kształtowy podstawa 50
Techniki modelowania 3D Wyciągnięcie złożone wykorzystuje dwa lub więcej szkice 2D, aby utworzyć wyciągnięcie, które moduluje kształt z jednego profilu szkicu do następnego. Wyciągnięcie złożone może również użyć dodatkowo szkice 2D lub 3D, aby pomóc kontrolować wyciągnięty szkic 51
Wyciągnięcie złożone Techniki modelowania 3D 52
Wyciągnięcie złożone Profil 3 Profil 2 Profil 1 53
Techniki modelowania 3D Przeciągnięcie Tworzy wyciągnięcie szkicowanego kształtu wzdłuż zdefiniowanej ścieżki dwóch szkiców do utworzenia wyciągnięcia prostego: szkicu 2D do utworzenia profilu wyciągnięcia i szkicu 3D (lub innego szkicu 2D) do określenia kierunku lub ścieżki wyciągnięcia 54
Przeciągnięcie Ścieżka przeciągnięcia Obiekt kształtowy podstawa 55
Techniki modelowania 3D Skorupa Tworzy wgłębienie w części z określoną grubością ścianki 56
Techniki modelowania 3D Żebra i półki Tworzy żebra (cienkościenne zamknięte podpory) i wzmocnienia (cienkościenne otwarte podpory). 57
Techniki modelowani 3D Zwój Tworzy heliakalny element lub bryłę. Służy do tworzenia gwintów i sprężyn zwojowych dla powierzchni walcowatych 58
Otwory Techniki modelowania 3D 59
Techniki modelowania 3D Zaokrąglenie / zaokrąglenie zmienne tworzy gładkie przejścia z jednego promienia do innego i przejścia prostoliniowe między promieniami 60
Suma logiczna Suma logiczna A+ B Operand A Operand B Siatka obiektu wynikowego. Znikają niektóre pierwotne węzły obiektu A i B oraz tworzą się nowe węzły. Następuje zmiana organizacji węzłów 61
Iloczyn logiczny (część wspólna) Iloczyn logiczny A*B Operand A Operand B Siatka obiektu wynikowego. Tworzą się nowe węzły odpowiednio zorganizowane 62
Różnica logiczna Różnica logiczna A B Różnica logiczna B A Operand A Operand B 63
Lokalne układy współrzędnych 64
Techniki CAD - parametry 65
Modelowanie a rysowanie 66
Rysowanie / modelowanie Rysunek 2D można utworzyć w dowolnej kolejności, w dowolny sposób Sekwencja modelowania 3D przypomina tworzenie fizycznej części Utworzenie jednego elementu jest zazwyczaj uzależnione od poprzedniego elementu Modelowanie 3D powinno umożliwić programowi śledzenie sensu geometrii 69
Rysowanie / modelowanie Dokumentacje wykonuje się po zakończeniu dodawania elementów (lub komponentów) do modelu Widoki modelu są rozplanowane na arkuszu rysunku z uwzględnieniem widoczności krawędzi Na rysunkach można ręcznie umieszczać wymiary. Można także importować wymiary umieszczone na szkicach modelowych i używać ich w odpowiednich widokach rysunków. Rysunek wykorzystuje umiejscowione widoki modelu, dlatego wszystkie zmiany dokonane w modelach zostaną automatycznie odzwierciedlone w zaktualizowanych rysunkach. 70
Modelowanie geometryczne Model wirtualny/numeryczny Model geometryczny Model parametryczny Model fizyczny właściwości materiałów Liczy się nie tylko efekt wizualny Generacja rysunkowej dokumentacji technicznej Eksport do systemów CAD/CAM Cyfrowe prototypowanie Obliczenia wytrzymałościowe Wykonanie dokumentacji CAM Wizualizacja produktu 71
Literatura 1. Chlebus E. Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji, WNT 2000 2. Miecielica M., Wiśniewski W.: Komputerowe wspomaganie projektowania procesów technologicznych. Wydawnictwo Naukowe PWN/MIKOM 2005 3. Przybylski W., Mariusz D.: Komputerowo wspomagane wytwarzanie maszyn. Podstawy i zastosowanie. WNT 2007 4. Sydo M. Wprowadzenie do CAD, Wydawnictwo Naukowe PWN/MIKOM, 2009 5. Jaskulski A. Autodesk Inventor 2011 PL/2011. Metodyka projektowania. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2011 6. Jaskulski A. AutoCAD 2011/LT2011+. Kurs projektowania parametrycznego i nieparametrycznego 2D i 3D. Wersja polska i angielska Wydawnictwo Naukowe PWN, 2010 72