Инженерная и компьютерная графика


Н. М. КОЛЕСНИЧЕНКО
Н. Н. ЧЕРНЯЕВА





                ИНЖЕНЕРНАЯ

                И КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА





УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


Второе издание

Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 514.18+744+004.92
ББК 30.11+22.15
     К60















       Колесниченко, Н. М.
К60       Инженерная и компьютерная графика : учебное пособие / Н. М. Ко       лесниченко, Н. Н. Черняева. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 236 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0670-3

       Рассмотрены основы начертательной геометрии и инженерной графики во взаимодействии с современной 3D-технологией проектирования и построения чертежей. На примерах выполнения и оформления эскизов, чертежей деталей и сборочных единиц реальных изделий приборостроения рассмотрены общие правила выполнения сборочных чертежей и чертежей электрических схем, а также основы машинной графики. Приведен современный подход к автоматизированному проектированию изделий на основе трехмерного моделирования. Показано построение поверхностей, заданных аналитическими уравнениями. Подробно рассмотрены технологии компьютерной графики, применяемые для создания оптических эффектов в кино и играх.
       Для студентов и преподавателей колледжей, техникумов и высших учебных заведений технического профиля.

                                                УДК 514.18+744+004.92
                                                ББК 30.11+22.15



ISBN 978-5-9729-0670-3

  © Колесниченко Н. М., Черняева Н. Н., 2021
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        ВВЕДЕНИЕ


    В число дисциплин, составляющих основу инженерного образования, входит «Инженерная и компьютерная графика». Дисциплина инженерная и компьютерная графика состоит из двух частей. Первая часть (инженерная графика) начинает изучаться студентами в первом семестре, вторая часть (компьютерная графика) во втором.
    В любой области техники, в многогранной инженерной деятельности человека чертежи являются единственными и незаменимыми средствами выражения технических идей.
    Целью изучение дисциплины (в части инженерной графики) является изучение законов и правил выполнения чертежей, оформления и обращения конструкторской документации.
    Прочесть или составить чертеж можно лишь в том случае, если известны приемы и правила его составления. Одна категория правил имеет в основе строго определенные приемы изображения, имеющие силу методов, другая катего-рия-это многочисленные, часто не связанные между собой условности, принятые при составлении чертежей и обусловленные ГОСТами.
    ГОСТы (государственные общесоюзные стандарты) - это специально разработанные на уровне государства единообразные технологические стандарты, комплекс которых составляет Единую систему конструкторских документов (ЕСКД), принятых в России. ЕСКД сообразованы с действующими международными стандартами ИСО, а также соответствуют требованиям постоянной международной комиссии стандартизации.
    Соответственно, ЕСКД - правила оформления чертежей - обязательны при изучении инженерной и компьютерной графики в учреждениях системы образования.
    Задачи дисциплины (в части инженерной графики):
    -      Научиться составлять чертежи, т.е. изучать способы графического изображения существующих и создаваемых предметов.
    -      Научиться читать чертежи, т.е. приобрести навыки мысленного представления по чертежу формы и размеров предмета в натуре.
    Приобрести навыки в решении пространственных задач на проекционном чертеже.
    -     Развить пространственное и логическое мышление.
    -     Практическое умение использовать ЕСКД, ГОСТы.
    -      Закрепление и углубление теоретических знаний, а также совершенствование практических навыков в области автоматизированного проектирования устройств и вычислительных систем.
    Целью изучения дисциплины (в части компьютерной графики) является получение базовых знаний студентами различных способов представления графической информации в памяти компьютера, методов и алгоритмов растеризации и обработки растровых изображений, матричных преобразования на плоско

3

сти и в пространстве, методов и алгоритмов удаления скрытых линий и поверхностей.
    Задачи дисциплины (в части компьютерной графики)
    -     Сформировать взгляд на компьютерную графику как на систематическую научно-практическую деятельность, носящую как теоретический, так и прикладной характер.
    -     Сформировать базовые теоретические понятия, лежащие в основе компьютерной графики, освоить особенности восприятия растровых изображений, методы квантования и дискретизации изображений.
    -     Дать представление о структуре программного обеспечения и реализации алгоритмов компьютерной графики
    -     Дать представление о методах геометрического моделирования, моделях графических данных.
    -     Научить использованию алгоритмов и методов компьютерной графики при проектировании пользовательских интерфейсов программных систем.
    Студенты при изучении курса наряду с освоением теоретических положений приобретают навыки точного графического решения пространственных задач метрического и позиционного характера. Умение найти более короткий путь решения графической задачи формирует общую инженерную культуру молодого специалиста.
    Инженерная и компьютерная графика является тем фундаментом, на котором в дальнейшем будут основываться все технические проекты науки и техники, и которая даст возможность обучающемуся, а затем специалисту выполнять конструкторскую работу и изучать техническую литературу, насыщенную чертежами.

4

        ЧАСТЬ I ИНЖЕНЕРНАЯ ГРАФИКА

        ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ. САПР

    1.1    Определение и классификация САПР. Характеристика, преимущества, недостатки программ AutoCad, Компас и NanoCad.
    1.2    Нормативная база. Единая система конструкторской документации. Стандарты ЕСКД.
    1. 3 ПрограммаА^оСАП. Лабораторный практикум.

        1.1. Определение и классификация САПР

    Прошло то время, когда инженеры реализовывали свои идеи с помощью кульмана и карандаша. Сейчас конструктора и технологи (а также архитекторы, исследователи, программисты и т. д.) повсеместно применяют системы автоматизированного проектирования.
    Проектирование - это процесс создания описания, необходимого для построения в заданных условиях еще не существующего объекта. Выделим три основных способа реализации проектирования:
    - Если весь процесс проектирования осуществляется человеком, то проектирование называют неавтоматизированным;
    - Проектирование, при котором происходит взаимодействие человека и ЭВМ называется автоматизированным. Автоматизированное проектирование, как правило, осуществляется в режиме диалога человека с ЭВМ на основе применения специальных языков общения с ЭВМ;
    - Проектирование, при котором все преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования осуществляется без участия человека называется автоматическим.
    Совокупность проектных документов в соответствии с установленным перечнем, в котором представлен результат проектирования, называется проектом.
    В настоящее время в деятельность изыскательских и проектных организаций быстро проникает компьютеризация, поднимающая проектную работу на качественно новый уровень, при котором резко повышаются темпы и качество проектирования, более обоснованно решаются многие сложные инженерные задачи, которые раньше рассматривались лишь упрощенно. Во многом это происходит благодаря использованию эффективных специализированных программ, которые могут быть как самостоятельными, так и в виде приложений к общетехническим программам. Деятельность по созданию программных продуктов и технических средств для автоматизации проектных работ имеет общее название - САПР.


5

    САПР (англ. CAD, Computer-Aided Design) - программный пакет, предназначенный для проектирования (разработки) объектов производства (или строительства), а также
    Система автоматизированного проектирования (САПР) — автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.
    Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков: по области использования, по целевому назначению, по масштабам и комплексности решаемых задач, по характеру базовой подсистемы (ядра САПР).
    Все САПР можно условно разделить на 3 категории (см. рисунок 1):


Рисунок 1- Классификация САПР

Классификация САПР:
    1) САПР двумерного проектирования — «2D-3D Легкие — Нижний уровень» (AutoCAD, Компас-График);
    2) САПР объемного моделирования «3D — Средний уровень» (Solid Works, Solid Edge, KoMnac-3D);
    3) САПР объемного моделирования «3D Тяжелые — Верхний уровень»
      (CATIA, Pro/ENGINEER, NX);

Рассмотрим виды САПР более подробно.
    1) Легкие САПР применяют, в основном, вместо кульмана. Можно сказать, что 2D черчение на компьютере легче, чем за кульманом, ведь программы настроены специальным образом так, чтобы чертить было максимально легко и комфортно. Здесь не нужно следить за качеством графики, все рисует компьютер. Можно без проблем выполнять чертежи любой сложности и размеров (что немаловажно, когда выполняешь сборки формата А1 и АО).
    2) Эти САПР используются для 3D моделирования и построения чертежей по 3D моделям. Естественно, увидев 3D модель двигателя вы поймете намного больше, чем по чертежу также как и то, что деталь выполненная станком с ЧПУ по 3D модели будет точнее, чем рабочим по 2D чертежу.


6

    3)Это даже не программы, а целые комплексы программ для крупного предприятия. В одной вы выполняете 3D модель детали (CAD-программа), во второй - рассчитываете ее на прочность (CAE-программа), в третьей - проектируете инструмент для ее изготовления, в четвертой -разрабатываете управляющую программу для станков с ЧПУ (CAM-программа). Ну и стоимость у них соответствующая количеству функций (прибавьте еще пару нулей к сумме, о которой сейчас подумали).

Стоимость всех САПР соотносятся по уровням следующим образом:
    -  Легкие: $500-$2000 за рабочее место (AutoCAD, AutoCAD LT, Компас);
    -  Средние: $2000-$20000 (Inventor, Mechanical Desktop, SolidWorks);
    -  Тяжелые (: более $20000 (ProEngeneer, Unigraphics).

    В зависимости от области применения требования к САПР сильно отличаются, но можно выделить основные:
    1. Система должна быть открытой, т. е. пользователь должен иметь возможность настраивать и надстраивать систему в зависимости от своих нужд. Например, пользователь может подключать свои программные модули, написанные на языках программирования высокого уровня.
    2. Система должна работать со стандартными протоколами обмена и хранения информации. Обязательна поддержка ГОСТ и ЕСКД (для конструкторских САПР). Крайне желательно наличие функций моделирования и параметрического проектирования.
    3. Желательно, чтобы система функционировала на различных аппаратных и программных платформах.
    4. Системой должна поддерживаться работа над проектом в многопользовательском режиме.
    5. Необходима интеграция САПР в единую систему электронного документооборота и архива предприятия.

    Наиболее распространенными в России являются следующие программы — AutoCad, Компас и NanoCad. А теперь подробнее о каждой из них, начиная с самой популярной:

    AutoCad
    AutoCAD — двух- и трехмерная система автоматизированного проектирования и черчения, разработанная компанией Autodesk.
    Первая версия системы была выпущена в 1982 году.
    Широкое распространение AutoCAD в мире обусловлено не в последнюю очередь развитыми средствами разработки и адаптации, которые позволяют настроить систему под нужды конкретных пользователей и значительно расширить функционал базовой системы. Большой набор инструментальных

7

средств для разработки приложений делает базовую версию AutoCAD универсальной платформой. На базе AutoCAD самой компанией Autodesk и сторонними производителями создано большое количество специализированных прикладных приложений, таких как AutoCAD Mechanical, AutoCAD Electrical, AutoCAD Architecture, GeoniCS, Promis-e, PLANT-4D, AutoPLANT, СПДС GraphiCS, MechaniCS и других.
    Программа выпускается на 18 языках. Уровень локализации варьируется от полной адаптации до перевода только справочной документации. Русскоязычная версия локализована полностью, включая интерфейс командной строки и всю документацию, кроме руководства по программированию.

        Компас

    Компас — семейство систем автоматизированного проектирования с возможностями оформления проектной и конструкторской документации согласно стандартам серии ЕСКД и СПДС. Разрабатывается российской компанией «АСКОН».
    Компас автоматически генерирует ассоциативные виды трехмерных моделей (в том числе разрезы, сечения, местные разрезы, местные виды, виды по стрелке, виды с разрывом). Все они ассоциированы с моделью: изменения в модели приводят к изменению изображения на чертеже.
    Стандартные виды автоматически строятся в проекционной связи. Данные в основной надписи чертежа (обозначение, наименование, масса) синхронизируются с данными из трехмерной модели. Имеется возможность связи трехмерных моделей и чертежей со спецификациями, т.е. при "надлежащем" проектировании спецификация может быть получена автоматически; кроме того, изменения в чертеже или модели будут передаваться в спецификацию, и наоборот.
    Существует большое количество дополнительных библиотек к системе КОМПАС, автоматизирующих различные специализированные задачи. Например, библиотека стандартных изделий позволяет добавлять уже готовые стандартные детали в трехмерные сборки (крепежные изделия, подшипники, элементы трубопроводов, шпонки, уплотнения), а также графические обозначения стандартных элементов на чертежи (обозначения отверстий), предоставляя возможность задания их параметров.
    История версий программы
    • 1989 — выпуск первой коммерческой версии системы КОМПАС 1.0
    • 1997 — Выпуск первой версии КОМПАС 5.0 под Windows
    • 2000 — Выпуск версии КОМПАС-SD 5.10
    • 2003 — Выпуск версии КОМПАС-SD V6
    • 2009 — ВыпускКОМПАС-3DV11
    • 19.05.2010 — выпускКОМПАС-3DV12
    • 13.05.2011 — выпуск КОМПАС-3D V13 (Актуальная версия)

8

    NanoCad
    NanoCad — базовая система автоматизированного проектирования и черчения (САПР-платформа). Разработана компанией Нанософт, Россия. В России и странах СНГ распространяется по схеме "freeware". Обладает AutoCAD-подобным интерфейсом и напрямую поддерживает формат DWG. На базе бесплатной платформы NanoCAD создается ряд платных приложений для выполнения различных узкоспециализированных проектных задач.
• К достоинствам NanoCAD можно отнести:
    * Нулевая цена: программное обеспечение распространяется бесплатно и доступно для коммерческого использования как частными лицами, так и проектными организациями.
    * Привычный интерфейс: принципы работы с NanoCAD аналогичны принципам работы в AutoCAD, что позволяет пользователю сменить платформу без серьезного переобучения.
    * Прямая поддержка DWG: чертежи, разработанные в NanoCAD можно открыть в среде AutoCAD без дополнительных преобразований и наоборот, чертежи разработанные в среде AutoCAD открываются в среде NanoCAD.
    * Российская разработка: т. к. NanoCAD разрабатывается в России, в платформу изначально закладывается поддержка российских стандартов проектирования. В частности, в платформу заложены типы и толщины линий, шрифты, размерные стили, масштабы, таблицы и выноски, разработанные по стандартам ЕСКД и СПДС.
• К недостаткам NanoCAD можно отнести:
    * Отсутствие поддержки AutoLISP и VBA: любые приложения и средства адаптации, написанные на языках AutoLISP и VBA, на данный момент не работают в среде NanoCAD.
    * Потенциальные проблемы с поддержкой DWG: т. к. NanoCAD поддерживает формат DWG с помощью библиотек Teigha™, разработанных некоммерческой организацией Open Design Alliance, то существует потенциальная возможность потерять совместимость с оригинальным форматом DWG от компании Autodesk.
• NanoCAD обладает следующими особенностями:
    * Платформа - бесплатно, приложения - платные: NanoCAD функционально занимает нишу между AutoCAD LT (система 2D-черчения) и полной версией AutoCAD (САПР-платформа). Разработчики NanoCAD считают, что ни одна платформа, являясь по своей сути электронным кульманом, не может называться САПР (системой автоматизированного проектирования). Поэтому, распространяя платформу NanoCAD бесплатно, Нанософт предлагает пользователям использовать платные приложения, работающие как на платформе AutoCAD, так и на платформе NanoCAD.

9

        1.2. Нормативная база.
         Единая система конструкторской документации.
         Стандарты ЕСКД

    Нормативная база в вопросах проектирования систем различного предназначения представлена большим количеством нормативных документов и является основополагающей в работе проектно-монтажной организации, ведь незнание требований нормативных документов может привести к печальным последствиям. Успех проектной организации определяется уровнем знаний ее специалистов всех тонкостей нормативной документации и возможности их реализовывать в полном объеме с наименьшими затратами.
    Вашему вниманию представлены нормативные документы разбитые не только по видам, а также на группы по проектируемым системам, и расположены в них в соответствии со своей значимостью или очередностью применения.

ОФОРМЛЕНИЕ ДОКУМЕНТАЦИИ:
    - организационно-исполнительные документы;
    - ГОСТ 2.* Единая система конструкторской документации
    - ГОСТ 21.* Система проектной документации для строительства
    - ГОСТ 19.* Единая система программной документации
    - другие ГОСТ, ОСТ, РД.

ДОКУМЕНТЫ В ОБЛАСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА
    - Строительные нормы и правила
    - Пособия к СНиП
    - Ведомственные строительные нормы
    - Своды правил по проектированию и строительству
    - Методические документы в строительстве
    - Письма, приказы ГОССТРОЯ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ:
    - Законы, постановления
    - Правила пожарной безопасности
    - Нормы пожарной безопасности
    - Государственные стандарты
    - Руководящие и методические документы Госпожнадзора
    - Письма, приказы Государственной противопожарной службы

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ:
    - Законы, постановления
    - Государственные стандарты
    - ГОСТ5О571.* Электроустановкизданий
    - ГОСТ 5133О.*Электрооборудованиевзрывозащищенное


10