|
|
Хейфец Александр Львович | (Южно-уральский государственный университет (Национальный Исследовательский Университет)) |
Презентация нового учебника по инженерной 3d компьютерной графике, созданного коллективом авторов – преподавателей кафедры графики ЮУрГУ (г. Челябинск). Рассмотрено содержание учебного курса, который преподается студентом инженерных специальностей и направлений подготовки. Учебник ориентирован на AutoCAD. Он содержит многочисленные примеры и методику построения 3d моделей машиностроительных деталей и узлов и их чертежей. В презентации основное внимание уделено примерам, расширяющим границы курса. Это оригинальные 3d модели, элементы программирования, анимации, фотореалистичной визуализации, модели режущего инструмента, аналитические поверхности, параметризация коник и др. – как примеры прикладных задач и потенциальные примеры для НИРС.
Основной тенденцией развития графических САПР является 3d моделирование. Это находит отражение в курсе инженерной графики вузов. Преподавание 3d технологий в разной мере ведется на многих кафедрах. С 1992 г. оно развивается и на кафедре графики ЮУрГУ. По мере накопления опыта преподавания и развития графических пакетов совершенствуется и методика преподавания 3d. Это нашло отражение в содержании работ [1–6].
Последней на данный момент работой творческого коллектива преподавателей кафедры стал учебник [1], обобщающий весь накопленный авторами опыт преподавания 3d в учебном курсе инженерной графики. Особенностью [1] является существенное обновление материала в связи с развитием и совершенствованием пакета AutoCAD (на момент издания – версии 2015 г.). Это потребовало значительной, на 50% переработки предыдущего издания [2]. Но главное – это дополнение содержания новыми разработками и примерами, позволяющими говорить о расширении представленного курса компьютерной графики. Объем материала [1] по сравнению с [2] увеличен на 30%.
Учебник [1] содержит многочисленные примеры построения 3d моделей машиностроительных деталей и узлов в AutoCAD и их чертежей. Это необходимая, пусть и рутинная, часть содержания учебника, составляющая основу курса. Наряду с этим авторы добавили оригинальные примеры 3d моделирования, расширяющие рамки курса, включая геометрические тесты, элементы программирования, анимации, фотореалистичную визуализацию, построение моделей зубчатых передач и режущего инструмента и др.
Цель доклада – отразить новые разработки и новые элементы методики преподавания, показать примеры, расширяющие рамки курса инженерной компьютерной графики.
Учебник [1] предназначен студентов: бакалавров, магистров, специалистов – инженерных специальностей вузов. Будет интересен для преподавателей и аспирантов. Содержит методические рекомендации и примеры выполнения характерных заданий курса инженерной графики на основе компьютерных методов построения чертежа по 3D-технологии. Ряд оригинальных авторских примеров и научно-исследовательских разработок.
Инструментальной базой является пакет AutoCAD. Содержание заданий взято из учебных программ различных специальностей, обучающихся на кафедре графики ЮУрГУ. Близкие задания применяются в большинстве вузов РФ.
Книга актуальна в связи с расширением 3D-технологий на рынке программных продуктов и в практической сфере деятельности, а также в связи с переходом вузов на современные образовательные стандарты (ФГОС ВО).
Работа содержит 30 глав, объединенные в шесть частей. Книга хорошо иллюстрирована, содержит более 300 рисунков, из которых половина – растровые тоновые изображения высокого качества.
Часть 1 (главы 1…4) излагает основы интерфейса последних версий AutoCAD. Приведены упражнения, позволяющие быстро, за 1…2 занятия, освоить методы работы в пакете AutoCAD в объеме, необходимом для начала выполнения учебных заданий курса.
В качестве примеров, закрепляющих материал начальных занятий, приводятся упражнения на построения геометрических узоров (рис. 1, а). Это красивые узоры, популярные в период становления компьютерной графики, например, “кружево” как массив вращения геометрической фигуры. Ряд узоров призван расширить геометрический кругозор. Это композиция на основе кругов Аполлония – приведен один из ее многочисленных вариантов, или узор на основе шестиугольника Паскаля.
Рассмотрена классическая 2d-технология построения чертежа и примеры на эту тему. Показано выполнение учебного задания “Плоский контур”, которое выдается в качестве первого задания на освоение техники 2d построений. Для “оживления” работы в это задание добавлен материал по 2d параметризации (из материала глав 26,27). Например, требуется не просто вычертить контур для освоения команд 2d построений (рис. 1, б), но присвоить его элементам геометрические зависимости, создать динамический блок с таблицей параметров, каждая строка которой приводит к качественно разнообразным вариантам контура, и представить работу как небольшое исследование (рис. 1, в).
Приведены (глава 4) примеры построения и оформления чертежа несложной детали (размеры, типы линий, формат, надписи и проч.) на основе 2D-технологии.
Часть 2 (главы 5…11) рассматривает основы техники построения и редактирования трехмерных объектов.
После изучения “джентельменского набора” средств 3d графики выполняется композиция из штатных примитивов (конус, сфера, призма), формируются ее ортогональные виды в проекционной связи (рис. 2, а). Это устанавливает преемственность с теоретическим курсом 1-го семестра и с основами построения чертежа. Для закрепления материала приводятся оригинальные примеры 3D-моделей: псевдоповерхность Эшера, лента Мебиуса, рифовый узел и др., показывающие нетрадиционные возможности применения AutoCAD, направленные на активизацию творческого интереса студентов к предмету (рис. 2, б). Например, псевдо поверхность Эшера составлена из трех торов и дается как тест на сообразительность и пространственное мышление. Самостоятельно построить ее по статистике удается 2-3 студентам из 30. Приведены и более простые геометрические тесты. Для понимания бесконечных свойств ленты Мебиуса каждой ее стороне рекомендуется присвоить различный цвет.
В главах 6…11 изложено компьютерное 3d прочтение традиционного учебного задания "Проекционное черчение". Задание содержит четыре работы. Каждая из них начинается с создания компьютерной 3D-модели (рис. 2, в) и заканчивается получением ее чертежа с видами, разрезами, аксонометрией.
Особый интерес представляет первая работа (глава 6), в которой по одной проекции следует сконструировать и построить 3D-модель с последующим выполнением ее чертежа. Это работа, достойная открывать учебный курс университетской программы по инженерной графике. Она в полной мере раскрывает творческий потенциал студентов. Показаны примеры моделей, каждая из которых формально отвечает условию, заданному на единственной проекции, но не может быть признана удачной. Приведены критерии оптимальности при создании модели и оптимальный вариант модели.
Другие работы этого задания показывают технику построения сложных разрезов, наклонного сечения и дополнительных видов.
Задание “Проекционное черчение” разработано коллективом кафедры графики ЮУрГУ в 70–80-х годах прошлого века. Сегодня это задание в сочетании с компьютерными 3d-технологиями “обрело второе дыхание” и широко применяется на кафедре.
Для продвинутых студентов дан материал (глава 9) по элементам программирования в AutoCAD на языке AutoLisp. Материал дан в объеме, достаточном для построения простейших программ. Приведены тексты программ, методы их создания и отладки. Например, показано, как создать простую программу для анимации перемещения наклонного сечения по рассекаемой модели.
Часть 3 (главы 12…16) содержит материалы по выполнению учебных заданий “Деталирование” и “Объемная сборка и сборочный чертеж”. На примере узлов шестеренного насоса (см. рис. 3, а) и червячного редуктора (рис. 2, г) показано построение моделей, рабочих чертежей деталей и сборочных чертежей.
Шестеренный насос (главы 12, 13) – пример несложного узла, на котором рассмотрены основы создания объемных сборок и чертежей. Червячный редуктор (главы 14…16) – сложный узел, завершающий графическую подготовку конструкторских специальностей. Этот узел неоднократно предлагали на олимпиадах по компьютерной графике. Методика его построения дана подробно и может служить основой для олимпиадной подготовки студентов.
Построение узлов начинается с корпусной модели, которая в процессе компьютерной сборки наполняется моделями подшипников, зубчатых и червячных передач, вплоть до крепежа. Приведена подробная методика построения моделей всех деталей узлов.
Часть 4 (главы 17…18) содержит основы фотореалистичной визуализации в пакете AutoCAD. Это направление активно развивается (AutoCAD – уже “почти” как 3DSmax). Приведен подробный пример построения дизайн-композиции (рис. 3, а), в которой корпусной модели присвоены материалы, воспроизводящие литейные и механически обработанные поверхности. Сюжет: ”Деталь отбрасывает мягкую тень на свой чертеж”. Показано создание и настройка источников света и теней, применение библиотечных и создание своих материалов. Рассмотрены особенности и пример фотореалистичной визуализации узла шестеренного насоса (рис. 3, б). Созданные композиции студенты дорабатывают в пакете Photoshop и включают в семестровый отчет как “распечатки”.
Часть 5 (главы 19…25) – это научно-исследовательский раздел. Приведены оригинальные методики построения геометрически точных 3D-моделей резьбы, различных зубчатых (рис. 3, в) и червячных передач (рис. 3, г), пружин. Модели раскрывают возможности пакета AutoCAD, могут служить основой для последующих исследований геометрии. В качестве примера исследовательской работы построена модель впадины червячного колеса. Это сложная поверхность, получаемая обкаткой колеса червяком.
Рассмотренные модели применяются при построении редукторов. На старших курсах модели применяются при исследовании их напряженно-деформированного состояния. Построение моделей геометрически воспроизводит технологию их изготовления, что также сближает наш предмет со специальными курсами.
Рассмотрено построение кинематических поверхностей, формирующих рабочие поверхности зубчатых колес, червяков и резьбы. Это все виды геликоидов: наклонный, конволютный или эвольвентный. Исследована особая кинематическая поверхность глобоидного червяка. Этот материал приведен в необходимом объеме и показывает связь теоретических основ геометрического моделирования с практикой 3d-моделирования.
Применительно к передачам дополнена тема программирования. Показано, как создать ряд простых lisp-программ для построения наглядной реалистичной анимации работы зубчатых и червячных передач: совместное вращение колес в зацеплении и червяка с колесом.
В главе 30 приведен пример реальной научно-исследовательской разработки, выполненной авторами с одной из проектных организаций: построение геометрически точной 3d модели червячной фрезы, предназначенной на роль компьютерного шаблона для контроля точности изготовления реальных фрез этого типа. Модель фрезы (рис. 3, д) имеет сложную геометрию с разнообразными кинематическими поверхностями. В учебнике она подробно рассмотрена, хотя и в упрощенном варианте. Построив такую модель, студент (магистр, аспирант) может считать себя готовым к научной работе.
В главе 25 приведено построение моделей сложных кинематических поверхностей, например, линейчатой поверхности дважды косого цилиндра. Показано преобразование ее в деталь листовой штамповки (рис. 4, а). Рассмотрены алгоритмы построения поверхностей, заданных аналитическим выражением z=f (x,y) (рис. 4, б) или параметрическими зависимостями (рис. 4, в). Уравнения студенты подбирают сами из аналитики или многочисленных примеров в интернете. Студентов эмоционально привлекают как диковинные названия поверхностей так и их красота: винт Штейнбаха, Поверхность Эннепера, бутылка Клейна (особенно) и др. Студентам даются необходимые сведения из программирования, позволяющие записать уравнение поверхности на AutoLisp’е, ввести его и построить. Работа предусматривает не только создание, но и исследование поверхности перемещением по области определения, изучением влияния отдельных параметров, построение и исследование сечений. Эта работа заканчивается созданием фотореалистичной композиции в пакете Photoshop.
В специальном курсе для строителей и архитекторов на основе фантастических форм аналитических поверхностей студенты создают архитектурно-строительные объекты, например, оболочки сводов.
Часть 6 (главы 26-30) – это дополнительные разделы 3-его издания книги. В главах 26, 27 рассмотрены современные направления геометрического моделирования: параметризация и динамические блоки, – позволяющие создавать многовариантные чертежи, управляемые наборами параметров (см. рис. 1, в).
В главе 28 даны примеры теоретического плана по моделированию коник средствами па-раметризации. Это может вызвать интерес у магистров и аспирантов. Для общего потока здесь содержится множество интересных и современных тем для реферативной работы. Наряду с известными задачами построения эллипса по пяти параметра, показано, как приложением геометрических зависимостей найти фокусы гиперболы, параболы, директрисы всех коник. В качестве одного из примеров (рис. 4, г) показано построение параболы, касательной двум произвольным эллипсам. Первоначально создается конструкция из отрезков. На отрезки накладываются взаимосвязи, что приводит к нахождению фокуса и директрисы. Затем выходом в пространство создается парабола, как геометрически точный сплайн.
В главе 29 приведены новые возможности ассоциативной 3d технологии моделирования и построения чертежа. Согласно этому направлению корректировка 3d модели приводит к автоматической перестройке чертежей модели. Это направление, известное в пакетах более высокого уровня, стало доступным и в AutoCAD’е.
В соответствии с требованиями издательств и ФГОС к учебной литературе сформулированы новые графические и инновационные компетенции, приобретаемые студентами после освоения изложенного курса. Включение материалов данного учебника позволяет в рабочих программах, в зависимости от используемого объема курса, внести следующие дополнения.
В результате освоения курса студент должен дополнительно:
а) знать: методы построения компьютерных 3d-моделей машиностроительных деталей и узлов различной сложности; методы 3d-построения чертежа деталей и узлов; основы программирования графической информации на языке AutoLisp; методы построения и исследования аналитических и каркасных поверхностей;
б) уметь: строить компьютерные 3d-модели деталей и узлов, выполнять их чертежи; анализировать форму геометрических фигур, деталей и узлов по их 3d моделям; применять компьютерные технологии для построения чертежей и изучения пространственных свойств геометрических объектов; выполнять чертежи и другую конструкторскую документацию; получать и обрабатывать растровые фотореалистичные изображения; составлять программы для построения и исследования графических объектов;
в) владеть: навыками построения чертежа по 2D- и 3D-технологиям в пакете AutoCAD; углубленными навыками работы в пакете AutoCAD.
Учебник, как результат многолетнего труда коллектива авторов кафедры графики ЮУрГУ, удостоен грифа:
“Рекомендовано Учебно-методическим отделом высшего образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим направлениям и специальностям”.
1. Показаны новые направления развития и приведены примеры для учебного курса инженерной 3d компьютерной графики, позволяющие расширить его границы, приблизить к прикладным задачам геометрического моделирования, повысить интерес студентов.
2. Освоение учебного курса и его дополнительных возможностей, изложенные в новом учебнике, является актуальной задачей кафедр графики, позволяющей повысить их рейтинг, а также конкурентоспособность студентов на рынке труда.
3. Приведенные примеры в очередной раз показывают эффективность современных методов 3d компьютерного геометрического моделирования в сравнении с традиционными 2d методами.
1. Инженерная 3D-компьютерная графика: учебник и практикум для академического бакалавриата / А.Л. Хейфец, А.Н. Логиновский, И.В. Буторина, В.Н. Васильева; под ред. А.Л. Хейфеца. – 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во “Юрайт”, 2015 г. – 602 с.
2. Инженерная 3D-компьютерная графика: уч. пособие для бакалавров, 2-е изд. перераб. и дополн. / А.Л. Хейфец, А.Н. Логиновский, И.В. Буторина, В.Н. Васильева; под ред. А.Л. Хейфеца. — М.: Изд-во “Юрайт”, 2012 г. – 464 с.
3. Инженерная 3D-компьютерная графика: монография / А.Л. Хейфец, А.Н. Логиновский, И.В. Буторина, В.Н. Васильева; под ред. А.Л. Хейфеца. — Челябинск: Изд. Центр ЮУрГУ , 2010. – 412 с.
4. 3D-технология построения чертежа: уч. пособие / А.Л. Хейфец, А.Н. Логиновский, И.В. Буторина, Е.П. Дубовикова; под. ред. А.Л. Хейфеца. – 3-е издание перераб. и доп. – СПб.: БХВ, 2005. – 256 с.
5. Хейфец, А.Л. Инженерная компьютерная графика. AutoCAD. Опыт преподавания и широта взгляда: монография / А.Л. Хейфец. – М., Диалог МИФИ, 2002 г. – 432 c.
6. Хейфец, А.Л. Инженерная компьютерная графика. AutoCAD: уч. пособие / А.Л. Хейфец. – СПб.: БХВ, 2005 г. – 336 с.
К теме “Плоская графика”: а – геометрические узоры; б – плоский контур; в – параметризация и динамический блок контура.
К теме "3d графика": а – 3d композиция из примитивов и ее ортогональные виды; б – “завлекающие” геометрические 3d модели; в – 3d модели к проекционному черчению; г – червячный редуктор в разрезе.
К теме “Фотореалистичность и геометрически-точные модели”: а – фотореалистичное изображение корпусной детали; б – фотореалистичное изображение узла; в – коническая и г – червячная передачи; д – червячная модульная фреза.
К теме “Модели поверхностей и параметризация”: а – дважды косой цилиндр; б – поверхность заданная явным аналитически выражением; в – поверхность заданная параметрически (винт Штейнбаха и его сечения); г – пример параметризации коник (парабола, касательная к двум эллипсам).
Лепаров Михаил Николаевич (19 марта 2015 г. 20:32) |
Здравствуйте, Александр Львович! Хороший учебник- поздравления! Я рекомендовал бы включения где-то "Обмен файлов с другие програмы", так как *.dwg *.dxf файлы являются одним из самых распространенных. С уважением млепаров |
Шацилло Людмила Анатольевна (19 марта 2015 г. 21:53) |
Александр Львович! Безупречны представленные примеры и их цветовое оформление! 5+ !!! Это на 1-м курсе? |
Горнов Александр Олегович (19 марта 2015 г. 22:15) |
Алексадр Львович , добрый вечер! Примеры работ замечательные. Это то, что наверняка поддерживает и развивает у студентов стремление учиться ! Откуда у Вас могут появляться лентяи ? C уважением к Вашему труду по написанию учебников, чтобы помочь студентам, да и преподавателям, осваивать возможности АUTOCAD'а. С уважением , А.О. |
|
Чередниченко Ольга Павловна (19 марта 2015 г. 23:11) |
Голосую "понравилось". Начерталка - это в том числе графический анализ линий и поверхностей. Очень наглядно. Вообще начертательная геометрия - красивая дисциплина |
Ярошевич Ольга Викторовна (20 марта 2015 г. 0:21) |
Александр Львович!!! Вне всякой ПОХВАЛЫ!!! ШИКАРНО! КРАСИВО! ИЗЫСКАНО!!! О.В. |
|
Хейфец Александр Львович (22 марта 2015 г. 18:43) |
Гиршу Антону Георгиевичу. Антон Георгиевич, я о кониках, количестве наборов решений. Если составлять количество наборов из точек, свободных касательных и связанных касательных, то у меня получается 21 набор.Это включая параболы. Откуда 51 или даже 53? Может, у Вас есть ссылка на Якоба Штайнера, которого Вы приводите как первопроходца. Буду признателен. Хотя в этот раз на конференции обсуждалось не количество наборов, а количество решений в рамках одного набора. Дажа неловко, но я из приведенных мне пояснений я ничего не понял. Не уверен, что понимают и те, кто отвечал. Буду разбираться, поскольку интересно. Пока сделал вывод, что тема открыта и исчислительная геометрия здесь не помогает. Книги В.В. Глоговского у меня настольные, поскольку интересуюсь методикой решения комплексных задач (задачи на геометрические места), теорию которых он внес в начертательную геометрию. Активно даю эти задачи студентам. Интересует Ваше мнение по приведенному в моем докладе решению Вашей задачи о параболе, касательной к двум эллипсам. Решение самое общее. Да, не в Вашем стиле чистой теории, но реальное и прагматичное, дающее результат. Жду Вашей критической оценки. Есть еще несколько дней для споров. С уважением. А.Л. Хейфец
|
Гирш Антон Георгиевич (23 марта 2015 г. 14:57) |
Здравствуйте, Александр Львович! Доклад хороший, иллюстрации замечательные. Вы просто ас машинной графики! С параболической огибающей двух эллипсов похвально. Понятно, что подхода я не понял, да и задача у Вас была другая, но верю, что подход охватывает все случаи эллипсов, не включающих один другой. С другой стороны озадачивает объём материала учебника. Не расшито, на кого он расчитан. Например, часть 3 очевидно относится к предмету "Детали машин". Или плохо концепирована цель-задача курса ИГ, или учебное пособие междисциплинарное? Вопрос: дважды косой цилиндр - это случаем не поверхность с плоскостью параллелизма? С уважением и пожеланием успехов. А.Г. Гирш. |
|
Хейфец Александр Львович (23 марта 2015 г. 20:08) |
Гиршу Антону Георгиевичу. Антон Георгиевич, не скрою, Ваша оценка моего доклада, и видимо, изложенного в нем учебника ценна. Об объеме. Да, у учебника есть существенный недостаток: он весит 900 г. А всерьез, хотелось воедино собрать многое из наработанных методик. В учебнике и инженерная графика в компьютерном прочтении, и компьютерная графика для инженерных специальностей, и, согласен, разделы, близкие к курсу "Детали машин", но близкие, поскольку рассмотрена преимущественно геометрическая сторона формообразования деталей. Есть основы интерфейса, программирования дизайна и многое другое. Здесь 50 печ. листов. Текст набран плотно, иллюстрации - компактные, "без воздуха", высокого качества (о качестве можно судить по рисункам в докладе). Можно было разделить книгу на два полноценных учебника, как поступают прагматичные авторы и как рекомендуют издательства. Но авторы решили сохранить цельность изложения и не поддались соблазну. Еще два момента. Дважды косой цилиндр - линейчатая поверхность с тремя криволинейными направляющими. Это наиболее сложная поверхность своего класса. Того же класса, что и однополостный гиперболоид (тот с тремя прямолинейными направляющими). Напомню свою просьбу о ссылке на Якоба Штайнера. Коллеги, пользуясь случаем и видя, что коммерческая сторона не чужда нашей конференции, прошу Вас оформить заявки в Ваших вузах на покупку учебника. В нем найдете многое и для базового учебного процесса, и для дополнительных занятий, и для НИРС. И не только по AutoCAD'у - аналогии несложно провести и для других пакетов. Розничная цена учебника зависит от продавца (магазина). Можно покупать в издательстве Юрайт (телефоны в интернете), там дешевле. Мне удалось в январе в издательстве купить наш учебник за 870 руб. Приобретайте наш учебник! |
Варушкин Владимир Петрович (25 марта 2015 г. 12:39) |
Алексадр Львович , добрый день! Статья представляет интерес для преподавателей. Перечисленны разделы учебника, с примерами, методикой решения комплексных задач, несомненно следует приобрести. С уважением, В. Варушкин |