close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
дополнительного образования детей
«Центр внешкольной работы» г. Брянска
241016, г. Брянск, ул. Клубная, д.5, (4832) 51-59-22
Международная научно-исследовательская конференция
учащихся и педагогов «Первые шаги в науку»
Исследовательская работа
«Преимущество использования графического
редактора 3D ADEM (CAD) перед классическим
методом проектирования изделий»
Предметная область: Компьютерная графика
Автор работы: Храмченко Владислав
МБОУДОД «ЦВР» г. Брянска,
объединение «Компьютерная графика»,
Возрастная категория – 17 лет
Руководитель:
Кайро Анатолий Станиславович,
педагог дополнительного образования
Научный консультант:
Селезнев Владимир Аркадьевич
Брянск 2015
Содержание
Введение
1
1.Понятие о техническом рисунке
2
2. 3D моделирование
3
3.Исследование адекватности восприятия моделей.
4
4.Виды объемных 3D моделей
5
5.Прототипирование
7
6. Заключение.
8
Выводы
9
Список информационных ресурсов
9
Приложения
10
Введение
Актуальность исследования.
Мы живем в 21-ом веке, в веке высоких компьютерных технологий.
Одной из таких компьютерных технологий является компьютерная графика,
которая используется во многих отраслях народного хозяйства. Например, в
науке она используется для того, чтобы оценить и представить результаты
научного
исследования,
они
строятся
в
виде
графиков,
диаграмм,
гистограмм, а в архитектуре и строительстве она используется для того,
чтобы конструировать будущие здания и выполнять сложнейшие чертежи.
Но ведь не только для этого нужна компьютерная графика. В обычной
жизни, когда нужно рассказать о каком-нибудь предмете, которого у нас в
данный момент в наличии нет, графика может облегчить объяснения и
виртуально показать этот предмет. Но все же пусть компьютерная графика и
1
облегчит объяснения, но не очень сильно, ведь мы не можем реально
потрогать и повращать этот предмет.
Цель работы: Показать плюсы и минусы компьютерной графики,
реализуемой
при помощи графического редактора интегрированной
конструкторско-технологической компьютерной системы ADEM (CAD) и
произвести сравнение зрительного восприятия реального предмета и его
компьютерной 3D модели.
Задачи исследования:
1.
Подобрать и изучить информацию по заявленной теме.
2.
Использовать среду ADEM (CAD) для проведения экспериментов.
1.
Понятие о техническом рисунке
Техническим рисунком называют наглядное изображение, обладающее
основными свойствами аксонометрических проекций или перспективного
рисунка,
выполненное
без
применения
чертежных
инструментов,
в
глазомерном масштабе, с соблюдением пропорций и возможным оттенением
формы.
Технические рисунки давно используются людьми для раскрытия
творческого замысла. Рисунки Леонардо да Винчи, которые настолько полно
раскрывают конструктивные особенности приспособления, механизма, что
по ним можно выполнить чертежи, разработать проект, изготовить объект в
материале. (Приложение рис 1-а.)
Одной из конечных целей изучения аксонометрических проекций
является правильное и быстрое выполнение технического рисунка. Для
выполнения
рисунка
можно
пользоваться
чертежом,
данным
в
ортогональных проекциях, или натурой, т. е. самой деталью; кроме того,
можно выполнить рисунок воображаемого (проектируемого) предмета
(Приложение рис1- б).
Сделать хороший и грамотный технический рисунок порой составляет
большую сложность особенно на первых этапах обучению черчения в школе
2
или
в профтехучилище. И в большей степени зависит от способностей
учащегося.
2.
3D моделирование
Практически любая форма визуальной информации содержит элементы
проблемности, разрешение которой осуществляется на основе анализа,
синтеза, обобщения, свертывания или развертывания информации. Причем
чем выше проблемность визуальной информации, тем выше интенсивность
мыслительной деятельности учащегося. Таким образом, визуализации
учебной информации посредством компьютерных технологий способствует
более интенсивному усвоению материала, ориентирует обучающегося на
поиск системных связей и закономерностей.
Гипотеза:
Образное визуальное представление об объекте
можно получить
изучением самого объекта или его физической модели, а также их
отображениями, полученными мультимедийными средствами (электронными
плакатами, видеосюжетами, анимацией и др.) в т.ч. компьютерными
(виртуальными) 3D изображениями. В отличие от плоских изображений,
компьютерную 3D модель, для её изучения, можно повернуть на экране под
разными углами, рассмотреть с разных сторон (сверху, снизу, сбоку),
выполнить разрезы для анализа внутренних поверхностей (Приложение см.
рис.1).
Компьютерные 3D модели, в процессе изучения, можно как разбирать на
отдельные элементы, так и собирать в единое изделие (Приложение см.
рис.2).
Преимущества
обучения
с
использованием
информационных
технологий в виде применения 3D-моделей очевидны. В отличие от плоских
статических изображений такие модели интерактивны: можно выбрать
любую точку обзора, сделать любые преобразования, прилагая минимум
усилий.
Интерактивность
компьютерных
3D-моделей
означает,
что
обучающимся и преподавателям предоставляется возможность активного
3
взаимодействия с этими средствами. Интерактивность означает наличие
условий для учебного диалога-взаимодействия, одним из участников
которого является компьютерная модель.
3. Исследования адекватности восприятия моделей
Гипотеза:
Сведений о характере восприятия учащимися виртуальных моделей в
результате исследования
обнаружено.
Поэтому
в доступных
был
источниках информации, не
рассмотрен
вариант
использования
компьютерного объемного 3D моделирования для образного представления
учебной
информации
в
образовательном
процессе.
Проводились
исследования на адекватность образного восприятия учащимися реальных
объектов и их компьютерных (виртуальных) 3D моделей.
Модель исследования:
Эксперимент по прямому сопоставлению состоял в том, что учащимся
предлагалось из нескольких объектов выбрать тот, который соответствует
компьютерной модели отраженной на экране и наоборот (Приложение рис.
3). Этот эксперимент показал практически 100% соответствие образного
представления реального объекта и его виртуальной модели.
Эксперимент
по
опосредованному
сопоставлению
реальной
и
виртуальной моделей через их чертежные виды (Приложение рис. 4) состоял
в определении реакции обучающихся на модели при дальнейшем их
отображении методами инженерной графики и наоборот.
Учащимся на первом этапе предлагалось поочередно изучать реальные
модели деталей и выбрать соответствующие им чертежные виды из
нескольких предложенных изображений, фиксировалось время выполнения
задания.
В
последующем
аналогичные
действия
производились
с
виртуальными 3D моделями.
На втором этапе выполнялась обратная задача – по изображению
чертежных видов одной из деталей подбирались реальные и виртуальные
4
модели из нескольких предложенных. Результаты исследований приведены
на (Приложения рис. 5.).
Увеличение времени распознавания объекта на втором этапе, по
сравнению
с
первым,
связано
с
затруднениями
учащихся
при
первоначальном изучении чертежных видов и последующем анализе
реальных и виртуальных моделей, т.к. в этом случае нарушается
естественный процесс восприятия информации, который заключается в
переходе от чувственного и образного к логическому, а не наоборот как в
этом случае.
Обработка
результатов
эксперимента
методами
математической
статистики, с помощью программы MatchCAD 12 (Приложения табл. 1),
позволила
сопоставить
варианты
образного
восприятия
учащимися
информации о реальной и виртуальной моделях (Приложение рис 6).
Виды объемных 3D моделей
4.
В
процессе
обучения
применяют
следующие
виды
объемных
компьютерных 3D моделей [1,2]:

каркасные – описываемые набором отрезков прямых линий и кривых
(граней) (Приложение рис. 7а);

поверхностные – описываемые набором поверхностей (Приложение
рис. 7б);

твёрдотельные – описываемые набором тел (замкнутых объектов,
ограниченных поверхностями, (Приложение рис. 7в);

гибридные
–
описываемые
сочетанием
поверхностей
и
тел
(Приложение рис. 7г).
Большинство
проектирования
современных
(САПР)
систем
поддерживает
автоматизированного
гибридное
моделирование
(Приложение рис. 7г). Построение виртуальных компьютерных моделей
изучаемых
объектов
выполняется
с
использованием
графических
компьютерных систем (AutoCAD, АСКОН и др.).
5
Результатом
проектирования
автоматизированного
проектирования
с
использованием
(САПР)
является
систем
модель
-
математическое представление геометрической формы, хранимое в памяти
компьютера. Трёхмерные модели состоят из совокупности взаимосвязанных
между собой
тел,
поверхностей, контуров.
Как
правило,
создание
трёхмерных объектов начинается с построения плоских контуров, которые
впоследствии при помощи
специальных операций преобразуются
в
поверхности или тела.
Операция Смещение позволяет создавать объемные тела смещением
плоского профиля на заданную высоту. В качестве профиля могут быть
выбраны плоские элементы, ребра или грани объемных тел. Схема такого
формирования модели на (Приложение рис.8.).
При создании осесимметричных объемных моделей применяется
операция Вращение, исходными данными является образующий контур и
ось вращения. Результатом является тело, которое занимает объём,
последовательно «заполненный» контуром при его вращении вокруг оси
(Приложение рис. 9).
При помощи функций редактирования можно деформировать и
дополнять элементы, строить скругления и фаски, выполнять обрезку,
продление, сопряжение.
Редактирование изображения Выдавливанием. Исходными данными для
операции является образующий контур и траектория. Результатом является
тело, которое занимает объём, последовательно «заполненный» контуром
при его движении вдоль траектории (Приложения рис 10).
Сложные модели обычно состоят из значительного числа поверхностей,
в таких случаях необходимо использовать несколько контуров для их
построения. Кроме того, построение отдельных тел и поверхностей не
приводит к образованию единой модели объекта, поскольку они не являются
взаимосвязанными
между
собой.
Для
установления
взаимосвязей
необходимо соответствующим образом сориентировать тела и поверхности и
6
с помощью специальных операций объединить их в одно целое. Объединение
тел выполняется при помощи булевых операций. Булевы операции
представляют собой логические операции над телами, в результате которых
исходные тела преобразуются в одно тело. При моделировании применяются
три вида булевых операций:
1. Объединение – результатом операции является тело, занимающее объём
всех исходных тел (Приложение рис. 11).
2. Вычитание – в данной операции определяется тело, которое является в
операции уменьшаемым и тела, являющиеся вычитаемыми. При этом
результатом является тело, занимающее весь объём уменьшаемого тела, за
исключением объёма, который занимали вычитаемые тела (Приложение рис.
12).
3. Пересечение – результатом операции является тело занимающее объём
который одновременно занимали все исходные тела (Приложение рис. 13).
3.
Прототипирование
Инновационные процессы в компьютерных технологиях позволяют
объединить преимущества виртуального и физического моделирования в
образовательных процессах.
В настоящее время разработаны
процессы
быстрого прототипирования (Rapid Prototyping, RP) – это послойное
построение физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией
CAD-модели. Прототипы используются для: оценки эргономики и внешнего
вида; оценки функциональности; в качестве мастер - модели; в качестве
наглядного пособия в образовательных процессах. Основное отличие этой
технологии от традиционных методов изготовления моделей заключается в
том, что модель создается на 3-D принтере не отделением материала от
заготовки, а послойным наращиванием материала, составляющего модель,
включая входящие в нее внутренние и даже подвижные части (Приложение
рис.14).
Процессы построения в значительной степени автоматизированы и
позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели,
7
затрачивая на их изготовление часы, а не дни и недели, как при
использовании традиционных методов. Модели, выполненные методом RP,
могут изготавливаться из различных материалов (в зависимости от
применяемой в оборудовании технологии): из специальных порошков,
жидких смол, воска, пластиков, различных листовых материалов.
Эти
технологии пока не получили широкого применения в образовательных
процессах
из-за
дороговизны
оборудования,
но
сам
метод
весьма
перспективен для повышения эффективности подготовки специалистов на
основе визуального образного представления об изучаемых объектах.
Заключение
Таким образом, ADEM CAD - это инструмент конструктора. С его
помощью можно создавать чертежи деталей, сборок, изделий. Система
обеспечивает плоское, поверхностное и пространственное моделирование,
подготовку геометрической модели для механообработки, оформление
конструкторской документации. У конструктора появилась возможность,
создав объемную модель, получать любые ее чертежи. Достаточно указать,
что за чертеж требуется получить, и система построит проекцию, сечение,
разрез модели. Любые изменения, которые могут
в последующем
проводиться на модели, будут автоматически отражаться на всех созданных
по ней чертежам. Еще одна особенность модуля заключается в том, что
получение чертежей не зависит от того, была ли создана модель в системе
ADEM или импортирована из другой системы.
Для конструктора важно иметь возможность проводить замеры своего
изделия. Последняя версия системы ADEM позволяет измерять расстояния и
углы между любыми объектами - телами, поверхностями, линиями. При
анализе собираемости будущего изделия проводится анализ взаимного
проникновения
объектов
(правильно
ли
сконструировано
изделие).
Разработчики системы провели исследование ее производительности и
утверждают, что при ее испытаниях на сборках высокой сложности - более
10 тысяч входящих в сборку тел, это будет покруче двигателя внутреннего
8
сгорания! - персоналка на Intel P4 c 1 Gb RAM работала без каких либо
серьезных затруднений и "тормозов". И переходим от классического
технического рисунка к проектированию на модуле ADEM CAD!
Выводы
Образное представление об учебных технических объектах можно
представить как в реальном, так и в виртуальном (компьютерные 3D модели)
виде. Причем восприятие обоих вариантов адекватно с достоверностью 84%.
Список информационных ресурсов:
1.
Селезнёв Владимир - Инновационные технологии для формирования
компетенций рабочих. Исследования и практические рекомендации. –
Lambert Academic Publishing, Germany, 2011, 118 стр
2.
Селезнев В.А. Компьютерные технологии и образное представление
информации
в
учебном
процессе
образовательных
организаций.
Электронный научный журнал "Теория и практика общественного развития"
http//www.teoria-practica.ru /ISSN 2072-7623/ 2012, №1.
3.
Селезнев В.А., Дмитроченко С.А. Основы компьютерной графики и 3D
моделирования (технический рисунок). Учебное пособие для студентов и
преподавателей профессиональных образовательных организаций. – Брянск:
Издательство "Ладомир", 2014. – 121 с.
4.
ADEM CAD/CAM/TDM. Черчение, моделирование, механообработка.
/Авторы: Быков А.В., Силин В.В., Семенников В.В., Феоктистов В.Ю. –
СПб.: 2003.
9
Приложения
Рис 1-а
Рис 1-б
А)
Б)
С)
Рисунок 1 Объемная 3D модель редуктора: А – вид сверху – слева; Б – вид
справа; В – разрез в горизонтальной плоскости
10
Рис. 2 Модель сборки – разборки технического объекта
Рис. 3 Проверка адекватности реальной и виртуальной моделей прямым
сопоставлением
Рис. 4 Проверка адекватности реальной и виртуальной моделей
опосредованием через чертежные виды
11
Рис. 5 Эмпирические данные распределения времени распознавания
технических объектов
Таблица 1
Распределение результатов исследования адекватности образного
восприятия учащимися реальной и виртуальной моделей технических
объектов
Математическое
ожидание
мин
Стандартное
отклонение
Доверительный
интервал
0.
995 мин
мин
Реальная
модель –
чертежные
виды
12.43
1.94
11,63-13,23
Виртуальная
модель –
чертежные
виды
12.95
2,35
12,15-13,75
Чертежные
виды –
реальная
модель
21.55
1.99
20.75-22.35
Чертежные
виды –
виртуальная
модель
22.26
2.43
21.46-23.06
12
Рис. 6 .Сопоставление вероятностного распределения времени
распознавания реальной и виртуальной моделей (схема модель – чертежные
виды) технических объектов школьниками
Рис. 7 Типы компьютерных объемных 3D моделей:
а – каркасная; б – поверхностная; в – твердотельная; г – гибридная
13
Рис.8 Создание объемной модели смещением профиля
Рис.9 Создание объемной модели вращением контура
Рис. 10 Редактирование изображения прямым и обратным выдавливанием
14
Рис.11 Объединение двух тел
Рис.12 Вычитание двух тел
Рис.13 Пересечение двух тел
15
а)
б)
Рис. 14 Пример прототипирования : а) компьютерная 3-D модель объекта;
б) прототип объекта, изготовленный на 3-D принтере
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа