Thiết kế mô hình 3d bằng autocad

TR ƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ KỸ THUẬT KHOA KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP BỘ MƠN CƠ KHÍ ĐỖ ĐỨC TRUNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3D BẰNG AUTOCAD Thái ngun, tháng năm 2010 Đỗ Đức Trung Thiết kế mơ hình 3D AutoCAD Chương CƠ SỞ TẠO MƠ HÌNH BA CHIỀU 1.1 Lịch sử phát triển CAD Mơ hình hóa ba chiều (3D) lãnh vực phát triển nhanh chóng CAD, cách mạng việc ứng dụng máy tính vào q trình thiết kế Các phần mềm thiết kế 3D, bắt đầu sử dụng vào năm 1980, ngày phổ biến công nghiệp Như phương pháp vẽ truyền thống, vẽ hai chiều (2D) phần mềm CAD trình bày vật thể mặt phẳng XY Do 2D CAD cơng cụ vẽ máy tính (computer drafting tools) sản phẩm cuối in giấy Ngược lại, mơ hình 3D khơng vẽ đối tượng mà hình ảnh thực vật thể Do 3D CAD cơng cụ mơ hình hóa máy tính (computer modeling tool) Sự xuất phát triển hệ thống SKETCHPAD Ivan Sutherland thuộc trường Đại học Kỹ thuật Massachusetts vào năm 1962 coi mở đầu CAD Tuy nhiên hệ thống thực vẽ hai chiều Hệ thống SKETCHPAD III, phát triển sau T.E Johnson, cho phép biểu diễn vật thể mơ hình 3D với mức độ giới hạn tốc độ tính máy lúc hạn chế Sự phát triển phần mềm CAD liên quan đến phát triển phần cứng Vì giá thành máy tính lớn vào năm 60, 70 cao, có Nhà nước Công ty lớn nước công nghiệp phát triển trang bị sử dụng phần mềm CAD Trong thời kỳ phần mềm CAD sử dụng cơng ty Hàng khơng, Ơ tơ, Qn sự,… Tuy nhiên số lượng tính tốn thiết kế mơ hình 3D lớn tốc độ máy chậm nên ứng dụng hạn chế Giảm giá thành tăng tốc độ tính tốn máy tính cho phép phần mềm thương mại thiết kế mơ hình 3D solid đời vào năm 1980 Phần mềm sử dụng máy tính lớn máy tính cá nhân Cùng thời điểm phần mềm AutoCAD hãng Autodesk đời (1982) dùng cho máy tính -1- Đỗ Đức Trung Thiết kế mơ hình 3D AutoCAD cá nhân Các phần mềm 3D thực nhiệm vụ đặc biệt Ví dụ phần mềm cơng ty hàng không chuyên thiết kế kết cấu hàng không khơng thích hợp cho việc thiết kế chi tiết khí có kích thước nhỏ Do phần mềm 3D thương mại phục vụ cho thị trường đặc biệt Các phần mềm thương mại 3D phát triển có nhiều khả đa dụng tạo mơ hình Ngoài vào năm 1980 phát triển tiêu chuẩn trao đổi liệu phần mềm có tính đa dụng cho phần mềm thực nhiệm vụ đặc biệt phần mềm tính tốn khác, sản phẩm mơ hình hóa đa dụng phát triển nhanh chóng Sự phát triển nhanh chóng máy tính cá nhân kèm theo giảm giá thành nguyên nhân giúp cho phần mềm AutoCAD sử dụng rộng rãi Từ AutoCAD 11 thiết kế mơ hình 3D dạng solid (AME) Trong release sau AutoCAD ngày hồn thiện cơng cụ thiết kế 3D Ngun nhân sử dụng mơ hình 3D Mơ hình hóa hình học đóng vai trị quan trọng q trình thiết kế kỹ thuật Mơ hình 3D (ba chiều) hiển thị vật thể thật vẽ 2D (hai chiều) Bạn chuyển mơ hình 3D sang hình chiếu 2D, tạo vẽ chế tạo 2D Mơ hình 3D AutoCAD tạo mà không cần sử dụng vẽ 2D Ta xuất hơ hình 3D AutoCAD thành định dạng DXF, IGES, STL,… để chuyển đổi liệu cho phần mềm CAD, CAD/CAM,…ví dụ cho phần mềm máy điều khiển chương trình số, phần mềm tính tốn,… Lệnh Stlout AutoCAD xuất mơ hình solid thành định dạng file tương thích với thiết bị tạo hình lập thể cịn gọi thiết bị tạo mẫu nhanh (rapid prototyping) Các thiết bị sử dụng liệu số máy tính để tạo mơ hình từ số vật liệu Ngồi ta cịn tạo hình ảnh thật vật thể từ mơ hình 3D cách gán vật liệu, ánh sang tơ bóng Điều cần thiết để biểu diễn mơ hình giai đoạn thiết kế thiết lập tài liệu thiết kế -2- Đỗ Đức Trung Thiết kế mơ hình 3D AutoCAD 1.2 Đặc điểm AutoCAD 2004 Phiên phần mềm AutoCAD xuất vào năm 1982, phiên AutoCAD 2010 Từ phiên AutoCAD 2004 trang bị công cụ làm việc suất cao hơn, nâng cao giao diện sử dụng hiển thị đồ họa để tạo liệu nhanh Đặt password cho vẽ Công cụ CAD standards hỗ trợ DWF (Design Web Format) file giúp cho liệu trao đổi nhanh Trong AutoCAD 2004 có đặc điểm liên quan đến phần 3D sau: - Dọn hình (tổ hợp phím CTRL + 0) - Thể đường khuất thực lệnh Hide - Đóng cửa sổ Render Dọn hình (Clean Screen) Dọn hình bao gồm che khuất hiển thị hình, ngoại trừ vùng đồ họa (drawing area), menu bar dịng lệnh (command line) Nhấp tổ hợp phím CTRL + (Zero) để chuyển giao diện hành hình dọn Ngồi chọn View menu Hình 1.1 Dọn hình Hiển thị đường khuất (Hidden Lines) Trên trang User Preferences hộp thoại Options bạn thay đổi thiết lập cho đường khuất Các thiết lập ảnh hưởng đến hiển thị -3- Đỗ Đức Trung Thiết kế mơ hình 3D AutoCAD đường khuất bạn thực lệnh Hide lựa chọn Hidden lệnh Shademode Hình 1.2 Hộp thoại Hidden Line Settings Ví dụ bạn gán dạng đường DASHED cho tất đường khuất mơ hình 3D sau: Hình 1.3 Hiển thị đường khuất Đóng cửa sổ Render Khi tơ bóng tạo hình ảnh, bạn đóng Render window cách chọn vào nút Close (hình 1.4) -4- Đỗ Đức Trung Thiết kế mơ hình 3D AutoCAD Hình 1.4 1.3 Giới thiệu mơ hình 3D Bản vẽ 2D tập hợp đoạn thẳng đường cong (đường tròn, cung tròn, elip,…) nằm mặt phẳng XY Trong vẽ 3D ta thêm vào trục Z Lịch sử phát triển mơ hình 3D gồm hệ liệu CAD việc tạo mặt ½ chiều, sau dạng khung dây (wireframe), mặt cong (surface) cuối mơ hình khối rắn (solid) Mơ hình ½ chiều Mơ hình ½ chiều tạo theo ngun tắc kéo đối tượng 2D theo trục Z thành mặt ½ chiều Mơ hình khung dây (wireframe modeling) Hình 1.5 Khung dây 12 lines Mơ hình dạng khung dây bao gồm điểm không gian đường thẳng cong nối chúng lại với Mô hình dạng khung dây hình 1.5 bao gồm 12 cạnh (edge – gọi đường sườn hay đường biên) Các mặt khơng tạo nên có đường biên, mơ hình có kích thước cạnh khơng tích (như mặt cong), khối lượng (như solid) Toàn đối tượng mơ hình nhìn thấy (hình 1.5) -5- Đỗ Đức Trung Thiết kế mơ hình 3D AutoCAD Mơ hình mặt cong (surface modeling) Mơ hình mặt cong biểu diễn đối tượng tốt mơ hình khung dây cạnh mơ hình khung dây trải mặt định nghĩa cơng thức tốn học Hình 1.6 Mơ hình mặt cong Mơ hình mặt hộp chữ nhật giống hộp rỗng, có cạnh mặt bên rỗng Mơ hình mặt tích khơng có khối lượng Mơ hình dạng che đường khuất tơ bóng (hình 1.6) Mơ hình solid (solid modeling) Mơ hình solid (khối rắn) mơ hình biểu diễn vật thể ba chiều hồn chỉnh Mơ hình bao gồm cạnh, mặt đặc điểm bên Dùng lệnh cắt solid ta nhìn thấy tồn bên mơ hình Mơ hình dạng tính thể tích tính đặc tính khối lượng Mơ hình solid AutoCAD có cấu trúc CSG (Constructive Solid Geometry) Trong AutoCAD solid đối tượng AutoCAD có cấu trúc gọi ACIS Solid có cấu trúc ACIS cịn gọi mơ hình lai (Hybrid modeler) trì hai dạng liệu chủ yếu để mơ tả hình là: liệu khơng gian hình học (Geometric spatial data) liệu liên kết topo (Topographic data) Dữ liệu khơng gian hình học mơ tả mơ hình theo giới hạn kết cấu solid, giống tạo solid đa hợp cấu trúc CSG AutoCAD Dữ liệu liên kết topo hay gọi biểu diễn biên (B-rep) dùng để tạo mặt lưới đa giác Mô hình dạng khối đa hợp (complex solid) kết hợp solid sở (như box, cylinder, wedge, sphere…) phép đại số boole (cộng, trừ, giao) Mô hình 3D dạng mặt cong solid che mặt khuất lệnh Hide tạo ảnh thật cách tơ bóng lệnh Render Shademode (hình 1.7) -6- Đỗ Đức Trung Thiết kế mơ hình 3D AutoCAD a) Sau Hide b) Sau Render Hình 1.7 Hình chiếu song song Trong AutoCAD quan sát hình chiếu song song (hình 1.7) hình chiếu phối cảnh mơ hình 3D với vật liệu hình ảnh 1.4 Các phương pháp nhập tọa độ điểm không gian ba chiều Nếu vẽ hai chiều (2D) ta nhập tọa độ X Y, vẽ ba chiều (3D) ta nhập thêm tọa độ theo trục Z Hướng trục Z vng góc với mặt phẳng XY tuân theo quy tắc bàn tay phải (hình 1.8 – ngón trục X, ngón trỏ trục Y ngón trục Z) Y X Z Hình 1.8 Qui ước trục tọa độ theo qui tắc bàn tay phải Biểu tượng xuất phía trái hình đồ họa gọi User Coordinate System Icon (hình 1.9 a) Trên biểu tượng thấy trục X Y Khi thay đổi điểm nhìn lệnh Vpoint có giá trị z khác 0, ta quan sát trục Z (hình 1.9c) -7- Thiết kế mơ hình 3D AutoCAD +Z +Y Y X +x -Y Y X Z X Y -x Đỗ Đức Trung a) -Z b) c) Hình 1.9 UCS trục Z qui ước Để nhập tọa độ điểm vào vẽ ba chiều ta có phương pháp sau đây: - Trực tiếp dùng phím chọn (PICK) chuột X, Y, Z - Tọa độ tuyệt đối Nhập tọa độ tuyệt đối so với gốc tọa độ (0,0,0) @X, Y, Z - Tọa độ tương đối Nhập tọa độ so với điểm xác định cuối Nhập vào khoảng cách (dist), góc (angle) mặt phẳng XY so với trục X cao - Tọa độ trụ tương đối @dist