Создание обучающего видеоролика по сборке и процессу работы генератора водорода ГВ-2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

РЕФЕРАТ

Отчет 65 с., 3 ч., 15 рисунков, 18 источников.

Теоретико-методологические основы дипломной работы - основные понятия теоретических основ автоматизированного управления, проектирование программного обеспечения, проектирования АСОИУ, системного анализа, моделирования систем, создание систем обучения с использованием 3D графики.

Целью проектирования является создание обучающего видеоролика по сборке и процессу работы генератора водорода ГВ-2.

Достижение цели потребовало решить следующие задачи проектирования:

· провести анализ производственной системы ОАО СКБ «Точрадиомаш»;

· провести обзор существующих генераторов водорода, их принципов работы;

· создать в трехмерном изображении модели основных деталей генератора водорода ГВ-2;

· осуществить сборку данного генератора в программе моделирования Autodesk 3ds Max 2009;

· создать анимационный фильм, используя средства визуализации Autodesk 3D Max 2009.

Предметом проектирования - является обучающий видеоролик по сборке и разборке генератора водорода ГВ-2.

При внедрении разработанного программного продукта, критерием эффективности является:

· использование передовых технологий в обучении;

· повышение уровня знаний технологов и конструкторов;

· использование свободных к распространению программных средств;

Практическая значимость. Быстрое и эффективное получение наглядного обучающего пособия по технологической сборке генератора водорода ГВ-2 без значительных денежных затрат.

Содержание

Введение

1. Анализ производственной системы ОАО СКБ «Точрадиомаш»

• 1.1 Общая характеристика завода
• 1.2 Описание функциональной структуры завода
• 1.2.1 Построение функционально- иерархической структуры
• 1.2.2 Построение организационно-управленческой структуры
• 1.3 Общий обзор генераторов водорода и основные функции генератора водорода ГВ-2
• 2. Разработка проектных решений по созданию 3D модели генераторам водорода ГВ-2
• 2.1 Выбор программного и технического обеспечения
• 2.2 Реализация 3D модели генератора по схемам на Autodesk 3D Max 2009 33
• 2.3 Визуализация и создание анимационного фильма по сборке-разборке генератора водорода ГВ-2
• 2.4 Расчет экономической эффективности
• 3. Безопасность и экологичность работы
• 3.1 Введение
• 3.2 Обеспечение санитарно - гигиенических требований к помещениям с вычислительной техникой и автоматизированным рабочим местам
• 3.3 Организация и оборудование рабочих мест с ПЭВМ
• 3.4 Требования к освещению и рабочих мест с ПЭВМ
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Актуальность темы исследования. Стремительное развитие технологий в последнее десятилетие привело к такому же быстрому росту в области компьютерной техники и программного обеспечения. Ещё совсем недавно незначительный, по сегодняшним меркам, эпизод из фильма, созданный при помощи спецэффектов, вызывал бурю восторга и обсуждений. Сегодня спецэффектами в кино и на телевидении никого не удивишь. Они стали обыденным явлением благодаря массовому распространению программ создания компьютерной графики и, в частности, трехмерного моделирования. Программы трехмерной графики - самые интересные по своим возможностям и наиболее сложные по освоению.
• Одно из лидирующих мест среди таких программ занимает 3ds Max. В силу своих уникальных возможностей и доступности в освоении эта программа сегодня имеет наибольшее количество поклонников, как среди любителей, так и среди профессионалов. Пожалуй, осталось очень мало сфер деятельности человека, связанных с трехмерной графикой, в которых не используется 3ds Max. Её активно применяют для создания игр и фильмов, в архитектуре и строительстве, в медицине и физике, а также во многих других областях.
• При выходе каждой новой версии программа приобретает новые возможности и становится более профессиональной. Сегодня создание и визуализация сцен в 3ds Max ограничены только фантазией пользователя и знанием возможностей программы. Надеемся, с помощью данного сайта вы сможете приобрести необходимые знания о 3ds Max
• Методологическими основами проектирования являются государственные стандарты и документация на проведение проектирования, проектирования АСОИУ, системного анализа, моделирования систем, экономико-математические методы и модели, создание систем обучения с использованием 3D графики.
• Целью проектирования является создание обучающего видеоролика по сборке и процессу работы генератора водорода ГВ-2.
• Достижение цели потребовало решить следующие задачи проектирования:
• · провести анализ производственной системы ОАО СКБ «Точрадиомаш»;
• · провести обзор существующих генераторов водорода, их принципов работы;
• · создать в трехмерном изображении модели основных деталей генератора водорода ГВ-2;
• · осуществить сборку данного генератора в программе моделирования Autodesk 3D Max 2009;
• · создать анимационный фильм, используя средства визуализации Autodesk 3D Max 2009.
• Сложностью создания таких механизмов является наличие большого количества деталей. При этом каждая деталь обладает собственными свойствами и функциями. Во время работы любого механизма, в частности, генератора, все детали работают в функциональной зависимости друг от друга. Эту иерархическую зависимость можно реализовать с помощью специального объекта 3D Max - «вращение». Но 3D max не может в режиме реального времени управлять сборкой и разборкой генератора. Поэтому в своей работе мы создаем .avi фильм с помощью специального объекта «Rendering» в котором наглядно показывается сборка и разборка генератора. Объектом проектирования являются основные функции генератора водорода ГВ-2.
• Предметом проектирования - является обучающий видеоролик по сборке и разборке генератора водорода ГВ-2.
• При внедрении разработанного программного продукта, критерием эффективности является:
• · использование передовых технологий в обучении;
• · повышение уровня знаний технологов и конструкторов;
• · использование свободных к распространению программных средств;
• Практическая значимость. Быстрое и эффективное получение наглядного обучающего пособия по технологической сборке генератора водорода ГВ-2 без значительных денежных затрат.
• 1 Анализ производственной системы ОАО СКБ «ТОЧРАДИОМАШ»
• 1.1 Общая характеристика завода
• видеоролик модель программа трехмерный
• Майкопское ОАО СКБ СКБ "Точрадиомаш" было создано по решению правительства СССР в 1975 году как филиал Московского конструкторско-технологического бюро (МКТБ) и впоследствии преобразовано в СКБ "Точрадиомаш".
• Основной задачей созданного научного предприятия была разработка конструкторской документации, подготовка и организация производства на Майкопском заводе «Точрадиомаш» автоматизированных складов и другого специального технологического оборудования, предназначенного для механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ и применяемого при создании гибких автоматизированных производств (ГАП), робото-технологических комплексов (РТК) и др. средств механизации, используемых на предприятиях МРП, МЭП, МП и СС, МАП и др. при организации работ, в т.ч. по безлюдной технологии.
• По разработанной СКБ документации заводом «Точрадиомаш» было изготовлено и внедрено около 2000 единиц складской техники различных модификаций (СТАС-50 и 250 ЛТ, СТАС-50 и 250 И, АСЛ-50 и 250 и пр.).
• Одновременно, СКБ «Точрадиомаш», по спецзаказам, разработало и изготовило для предприятий различных отраслей страны более 20 единиц автоматизированных складских систем (грузоподъёмностью 50, 250 и 500 кг): радиозавод г. Червоноград (Украина), завод автомагнитол г. Гродно (Белоруссия), шерстяное объединение «Дробе» г. Каунас (Литва), склады и испытательные стенды для типового автоматизированного производства электронных модулей г. Москва и др.
• С 1984 года СКБ "Точрадиомаш" занимается исследованиями и разработками в области испытательной техники. Во всей стране известны установки для имитации воздействия механических факторов окружающей среды, такие, как УВЭП- 10000, УВЭП- 16000, УВЭП- 32000, УВЭП- 80000, которые выпускаются серийно СКБ "Точрадиомаш". Основные узлы, входящие в состав установок - вибростенд, модульный полупроводниковый усилитель мощности, задающая и измерительная аппаратура - выполнены на высоком техническом уровне с применением современных технологий. Установки СКБ "Точрадиомаш" являются лучшими в стране и вполне могут конкурировать с аналогичным оборудованием фирм IMV, Shinken (Япония), LDS, Derritron (Великобритания).
• За годы работы в СКБ сформировался коллектив опытных высококвалифицированных разработчиков, способных в короткие сроки решать задачи любой сложности в области разработки оборудования для автоматизированных складов. В разработке используются передовые научные достижения, отечественный и зарубежный опыт, современные методы расчёта и моделирования конструкций, современное программное обеспечение для расчёта и исследования конструкций и разработки конструкторской документации.
• В настоящее время разработано оборудование повышенной грузоподъёмности, в том числе для высотных складов и другое.
• Предлагаемая к освоению техника по своим конструктивным решениям и соблюдения требований санитарии и гигиены соответствует Российским стандартам, а некоторая из них по техническим характеристикам находятся на уровне и в некоторых случаях превышают лучшие мировые образцы аналогичной продукции.
• 1.2 Описание функциональной структуры завода
• 1.2.1 Построение функционально-иерархической системы
• Любое управление предполагает наличие управляемого объекта или группы объектов. Кроме управляемого объекта должен существовать некоторый управляющий орган, который воздействует на управляемый объект, изменяя состояние последнего в желательном направлении. Управление представляет собой воздействия, направленные на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления. Эти воздействия вырабатываются управляющим органом, в дальнейшем называемым системой управления.
• Функционирование любого объекта представляет собой процесс взаимодействия его элементов во времени и в пространстве, обеспечивающий процесс выполнения намеченных целей в условиях внешних возмущений и с учетом имеющихся ресурсов. Сложность производственно-хозяйственной деятельности предприятия, многообразие факторов, влияющих на нее, наличие неформализуемых процедур принятия управленческих решений, случайный характер возмущающих воздействий и отклонений - все это обуславливает трудность при создании единой модели управления. Такую трудность можно преодолеть путем создания взаимосвязанного комплекса моделей - функциональных подсистем. При этом происходит разбиение системы управления, которое называется декомпозицией. Разбивать систему на части можно до тех пор, пока выделенный элемент не перестает выполнять в системе каких-либо функций. Образующаяся при этом функциональная иерархия предполагает специализацию по отдельным функциям управления на всех уровнях этой иерархии.
• В состав функционально-иерархической структуры предприятия входят следующие подсистемы:
• - обеспечивающая;
• - производственная;
• - организационная.
• Так как мы используем в качестве исследуемого объекта продукцию выпускаемую на данном заводе то нас будет интересовать только производственная подсистема.
• Функционально-иерархическая схема управления ОАО СКБ «Точрадиомаш» представлена на рисунке 1.
• Рисунок 1 - Функционально-иерархическая схема управления ОАО СКБ «Точрадиомаш»
• 1.2.2 Построение организационно-управленческой структуры
• Организационная структура управления - это состав, взаимосвязь и соподчиненность совокупности организационных единиц, выполняющих различные функции по управлению предприятием. Такая структура формируется исходя из состава, содержания и трудоемкости выполнения общих и специальных функций управления. Организационно-управленческая структура имеет пирамидальное строение, т. е. содержит несколько иерархических уровней. Иерархическое построение системы обеспечивает ее повышенную устойчивость внешним возмущениям, способствует локализации конфликтов, возникающих между отдельными элементами, и согласует отдельные цели подсистем с общими целями всей системы.
• В данной курсовой работе нас будет интересовать только отделы принимающие непосредственное участие в производстве генератора.
• Главный инженер
• - разрабатывает и внедряет технологические процессы и режимы производства на выпускаемую заводом продукцию;
• - устанавливает пооперационный маршрут прохождения продукции;
• - составляет планы размещения оборудования, технического оснащения, организации рабочих мест;
• - рассчитывает производственные мощности и загрузку оборудования;
• - участвует в разработке технически обоснованных норм времени (выработки) и рассчитывает технические нормы расхода сырья, полуфабрикатов, материалов, инструментов, технологического топлива и энергии, экономическую эффективность проектируемых технологических процессов;
• - разрабатывает технологические нормы, инструкции, маршрутные карты и другую технологическую документацию, согласовывает разработанную документацию с цехами и отделами предприятия, составляет технические задания на проектирование приспособлений, оснастки и инструмента, предусмотренных технологией;
• - анализирует причины брака и выпуска продукции пониженных сортов и принимает участие в разработке мероприятий по их предубеждению и устранению, разрабатывает методы технического контроля и испытания продукции, вносит изменения в техническую документацию в связи с изменениями и корректировкой разработанных технологических процессов и режимов производства;
• - осуществляет контроль за соблюдением технологической дисциплины в цехах и правильной эксплуатацией оборудования, разрабатывает и принимает участие в реализации мероприятий по повышению эффективности производства, рассматривает рационализаторские предложения по совершенствованию технологии производства и даёт заключения о целесообразности их использования.
• Начальник производственного участка
• - осуществляет руководство производственным участком; обеспечивает выполнение плановых заданий, эффективное использование производственных мощностей, экономное расходование сырья, материалов и систематическое повышение производительности труда;
• - своевременно подготавливает производство, организует и контролирует соблюдение технологических процессов, оперативно выявляет и устраняет причины их нарушения; внедряет научную организацию труда на участке, механизацию и автоматизацию трудоёмких процессов и ручных работ; обеспечивает полную загрузку и правильное использование оборудования, равномерную и производительную работу рабочих участка;
• - устанавливает в соответствии с планом производственные задания бригадам и отдельным рабочим;
• - создаёт условия для освоения и выполнения норм каждым рабочим, осуществляет производственный инструктаж рабочих;
• - вносит предложения о пересмотре норм выработки и расценок, а также о присвоении в соответствии с тарифно-квалификационными справочниками разрядов рабочих;
• - проверяет нормативно-техническую, справочно-информационную документацию, качество выпускаемой продукции или выполняемых работ, осуществляет мероприятия по предупреждению брака и повышению качества продукции (работ);
• - анализирует результаты производственной деятельности, контролирует расходование фонда заработной платы на участке, обеспечивает правильность и своевременность оформления первичных документов по учёту рабочего времени, выработке заработной платы, простоев;
• - контролирует соблюдение рабочими производственной и трудовой дисциплины, строгое выполнение ими правил и норм по охране труда и технике безопасности;
• - представляет предложения о поощрении отличившихся рабочих участка или наложении дисциплинарных взысканий на нарушителей производственной и трудовой дисциплины;
• - проводит работу по повышению уровня технических знаний рабочих участка
• В заготовительном цеху происходит изготовление всех необходимых деталей и агрегатов.
• В сборочном цеху происходит сборка и оснастка техники.
• Разрабатываемый программный продукт как раз и разрабатывается для конструкторов и учеников сборочного цеха в целях упрощения и ускорения процесса сборки.
• Рисунок 2 - Организационно-управленческая структура ОАО СКБ «Точрадиомаш»

Для наглядности деятельности предприятия покажем функциональную модель в среде BP Win

Рисунок 3 - Функциональная модель предприятия

А теперь выпуск продукции, в частности генератора водорода (его основных деталей), рассмотрим в подробном виде:

Рисунок 4 - Функциональная схема выпуска основных деталей генератора

1.3 Общий обзор генераторов водорода и основные функции генератора водорода ГВ-2

Успехи в развитии ряда водородных технологий показали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям работы систем и агрегатов, а результаты многочисленных технико-экономических исследований говорят о том, что водород, несмотря на свою вторичность в качестве энергоносителя, то есть стоит дороже, чем природное топливо, его применение во многих случаях экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы в области водородной энергетики во многих, особенно в промышленно развитых странах, относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят всё большую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала.

Идея использования водорода в качестве топлива далеко не нова. За последние полтора столетия человечество освоило белее двух десятков способов получения водорода. Это и каталитическая конверсия углеводородов водяным газом, и метод водяного газа, электролиз, железо-паровой метод, термический крекинг углеводородов в процессе производства сажи, метанол-паровой метод, каталитическое разложение аммиака и т.д.

Чем привлекателен водород в качестве топлива? Прежде всего высокой теплотворной способностью 12,6 мдж/м³, - это в три раза выше теплотворной способности природного газа (4,1 мдж/м³), а при разложении воды еще выше -.16 мдж/м³ (кислородная лепта повышает составляющую). Ну и, конечно, абсолютная экологическая безопасность, плюс неограниченные природные запасы в виде воды. И все же, несмотря на такую привлекательность, все имеющиеся способы получения водорода были чрезвычайно дороги, чтобы использовать водород в качестве топлива. Весь мир давно озадачен решением этой проблемы. Только одни США ежегодно выделяют на эти разработки около двухсот миллионов долларов, - более 600 фирм работает в этой области, и в ближайшие год - два эта проблема будет решена. У нас же, в России, все это решается на голом энтузиазме и, несмотря на это, мы на голову опережаем зарубежные разработки этой проблемы.

Существует множество различных генераторов водорода, работающих по различным принципам.

Генератор Челяева представляет собой химический реактор, вырабатывающий водород путем гидролиза, т.е. разложения воды. Для этого используется твердый реагент, т.е. реакция гидролиза носит гетерогенный характер - идет на поверхности твердого вещества. Предполагается, что полученный таким образом водород в дальнейшем используется в качестве топлива для энергоустановок на топливных элементах. Помимо этого водород может использоваться, конечно, и в других областях, например при резке металла, сварке и т.д.

Сухих И.Н. предложен генератор водорода, работающий на экзотермической реакции гидролиза и содержащий реакционный сосуд с магистралью выдачи водорода и теплообменником для отвода тепла реакции, отличающийся тем, что в состав генератора введены два накопителя водорода, снабженные датчиками давления, при этом каждый накопитель водорода пневматически связан через входной клапан с реакционным сосудом, а через выходной клапан - с магистралью выдачи водорода, причем накопители водорода выполнены в виде герметичных емкостей, частично заполненных водой и гидравлически соединенных друг с другом через теплообменник для отвода тепла реакции и регулятор расхода воды, который вместе с клапанами электрически соединен с блоком управления, к которому подключены также датчики давления, установленные в накопителях водорода.

Генератор Адамова. Способ получения молекулярного водорода - путем разложения воды при прохождении электрического тока между помещенными в воду электродами, отличающийся тем, что электрический ток возникает между электродами при соединении их проводником и непрерывном освещении солнечным светом одного из электродов, который выполнен в виде пористой проницаемой для водорода токопроводящей подложки, покрытой пленкой ориентированных в одну сторону пурпурных мембран, содержащих молекулы бактериородопсина, которые осуществляют направленный перенос иона водорода - протона.

Генератор Адамовича. Способ получения водорода - путем конверсии в реакторе водяного пара в среде раскаленного железа до окислов железа и газообразного водорода, отличающийся тем, что используют реактор, состоящий из рубашки охлаждения и высоковольтного разрядника с двумя электродами, один из которых изготовлен из технического железа, в баке кипятят дистиллированную воду, образуя насыщенный пар, его подают в рубашку охлаждения реактора, образуя перегретый пар, на высоковольтный разрядник подают переменный ток напряжением 3,6 кВ, одновременно через форсунку в разрядный промежуток вводят перегретый пар, а образовавшиеся окислы железа при помощи вибрации сбрасывают в сборную емкость; влажный водород выпускают из реактора в конденсатор, охлаждаемый водой из системы водоснабжения, конденсат сбрасывают, после этого предварительно осушенный водород подвергают окончательной осушке в регенерируемых силикагелевых патронах, затем водород через микропористый фильтр раздают потребителям в интерметаллидных компрематорах, которые при десорбции водорода обеспечивают его чистоту до 99,99 об.%.

В данном генераторе используется не высокозатратный электролиз, а эффективная низкозатратная сепарация электронов с внешних орбит молекул воды.

Составляющие воды, водород и кислород сами по себе газы, а при объединении в молекулу, становятся жидкостью. Если с внешней орбиты ковалентной связи молекулы воды убрать хотя бы два электрона, то восставляющие водород и кислород превратятся в ионы. Отталкиваясь друг от друга кулоновскими силами, они становятся газами, т.е. топливом. Атомный водород горит с температурой 4000 °С, молекулярный - 2500 °С. Кислород же усиливает горение, а вместе, в этой пропорции Н₂0 - это гремучий газ.

Рисунок 5 - Принципиальная схема работы сепаратора

В установке, в силу определенной геометрии, работают два поперечных поля: высоковольтное электрическое и электромагнитное (рисунок 5), через которые прокачиваются сепарируемые жидкости или газы. В свободном состоянии молекулы воды или пара, являясь ярко выраженными диполями (1,87 дебай), хаотически дрейфуют в броуновском движении. Попадая в электрическое поле достаточной напряженности, молекулы поляризуются, вытягиваясь вдоль оси приложенного напряжения и частично сепарируются, если эту массу поляризованной воды поместить в поперечное магнитное поле и заставить двигаться из-за плоскости чертежа «к нам», то получится интересная картина: электроны ковалентной связи, протоны водорода, т.е. все заряженные частицы, двигаясь в магнитном поле, согласно силе Лоренца будут изменять свои траектории и тем сильнее, чем больше скорость потока. Частично катионы водорода будут гидратироваться в оксоний (Н₃0) и гидроксильный радикал ОН, которые также будут сепарироваться по полярности.

Электроны, прижатые полями к аноду, «отсасываются» высоковольтным выпрямительным блоком и переносятся на изолированный катод, но, в силу его изоляции, обратно в поток не возвращаются, т.е., рекомбинации, как в электролизе не происходит. Это также играет не последнюю роль в снижении энергозатрат. Избыточный электронный потенциал, который накапливается на катоде в процессе сепарации, «сбрасывается на землю».

В потоке лавинообразно образуются ионы кислорода и водорода, газовая составляющая потока все время растет, и при соответствующей длине магнитной щели (в нашем случае 28 метров, - спиральная щель кольцевого электромагнита; рисунок 6) достигает максимума, т.е. переходит в топливо.В первой модели генератора водорода ГВ-1 обмотку магнитов постоянного тока (верхний и нижний) постоянно пробивал резонансный ток. Все дорожки диска были забиты ржавчиной. Поэтому в новой модели ГВ-2 предполагается переход на латунь или бронзу, или на магниты без обмотки.

Рисунок 6 - Первый вариант генератора водорода ГВ-1

2 Разработка проектных решений по созданию 3D модели генератора водорода ГВ-2

2.1 Выбор программного и технического обеспечения

При создании видеоролика мы должны создать все необходимые модели для последующей визуализации. Для каждой детали нужно создать не только модель, но также необходимо текстурировать ее и оснастить (настроить ограничители подвижности). Не все программы моделирования умеют все это в полной мере. Некоторые делают одни этапы лучше и проще чем другие, некоторые программ вовсе не способны сделать какой-либо этап, потому что не были для этого предназначены.

На данный момент существует множество программ, которые могут это делать. Ниже идет краткий обзор некоторых из них.

AutoCAD

AutoCAD - двух и трехмерная система автоматизированного проектирования и черчения от компании Autodesk, которая является одним из наиболее распространенных систем автоматизированного проектирования в мире. Эта программа позволяет легко и эффективно разрабатывать различные проекты, визуализировать их и составлять документацию.

Минус этой программы в том, что у нее нет достаточно хорошего визуализатора для создания текстур из материалов.

BtoCAD

BtoCAD - двух и трехмерная система автоматизированного проектирование и черчения. Программа основана на системе автоматизированного проектирования IntelliCAD и библиотеке OpenDWG, что позволяет программе работать с файлами формата DWG, который используется во многих системах автоматизированного проектирования. Интерфейс и принцип работы программы максимально приближен к AutoCAD. Формат DWG - основной формат BtoCAD.

Эта программа также создана для создания чертежей из 3D объектов, поэтому для наших целей она не подходит.

VariCAD

VariCAD - Система двухмерного и трехмерного моделирования, которая предназначена для машиностроительного проектирования. Вместе с мощными инструментами для 3D-моделирования, в VariCAD имеются также средства разработки двумерных моделей и чертежей. VariCAD обеспечивает библиотеки стандартных механических частей, расчет стандартных механических компонентов, а также инструменты для расчета материалов и блоков, что позволяет быстро создавать, оценивать и изменять модели. VariCAD обеспечивает высокую производительность, широкий набор функций, а также простой и быстрый интерфейс пользователя.

Эта программа также создана для создания чертежей из 3D объектов, поэтому для наших целей она не подходит.

Blender

Blender - программный пакет для создания трехмерной компьютерной графики. Включает в себя средства анимации, моделирования, постобработки видео, рендеринга, а также создания интерактивных игр. Имеет функции динамики твердых тел, жидкостей и мягких тел, систему горячих клавиш, а также большое количество доступных расширений. Программа имеет малый размер, высокую скорость рендеринга и множество версий под различные операционные системы. Blender является свободным программным обеспечением и распространяется под лицензией GNU GPL.

Очень хорошая программа моделирования и анимации. Имеет даже свой движок для создания игр. Еще один ее большой плюс - она полностью бесплатна. Ее мы будем использовать для моделирования.

Easy Tree Generator

Easy Tree Generator - программа для трехмерного моделирования деревьев на основе фракталов. В Easy Tree Generator используется технология Direct3D. Имеется возможность сохранения моделей в форматах .x, .obj, .xml. В программе реализован простой интерфейс. С помощью этой программы Вы можете самостоятельно смоделировать различные виды деревьев, экспериментируя с видами листьев и ствола.

Эта программа будет использоваться при дальнейшей разработке симулятора или других проектов, потому что позволяет получать объекты с различными параметрами. Кроме того, она может сохранять в форматы X и XML, что для нас очень удобно.

Solidworks

Solidworks - система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности. Программа является ядром комплекса автоматизации предприятия, с помощью которого осуществляется поддержка жизненного цикла изделия в соответствии с концепцией CALS-технологий.

Эта система больше предназначена для моделирования механизмов и проверки их параметров, чем для создания моделей для симулятора. Нами пока использоваться не будет.

Maya

Maya - редактор трехмерной графики, который в настоящее время стал стандартом трехмерной графики в кино и телевидении. Maya имеет простой и понятный интерфейс, простые в употреблении инструменты ускоряют технологический процесс.

Очень хороший пакет для моделирования и анимации. Но мы не нашли для нее версию с пробным периодом.

3D Studio Max

3D Studio Max - полнофункциональная профессиональная программная система для работы с 3D графикой, разработанная компанией Autodesc.

Программа 3DS Max располагает обширными средствами по созданию разнообразных по форме и сложности трёхмерных моделей реальных или фантастических объектов окружающего мира с использованием разнообразных техник и механизмов, включающих: следующие: моделирование с помощью полигонов, в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон) - этот метод самый распространенный метод моделирования, который используется для создания сложных моделей и моделей для игр;

моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS) -в 3DS Max этот метод моделирования не очень хорошо реализован, и не очень удобен;

моделирование на основе поверхностей Безье (Editable patch) -подходит для моделирования тел вращения

моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов.

Методы моделирования могут сочетаться друг с другом. Моделирование на основе стандартных объектов, как правило, является основным методом моделирования и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов.

В 3DS Max реализована возможность создания нескольких основных источников частиц. Начиная с 8 версии имеется 6 основных источников частиц, демонстрирующих различное поведение.

Исходным методом визуализации в 3DS Max является сканирующий построчный алгоритм. Некоторые расширенные возможности были добавлены в сканирующий визуализатор спустя годы, такие как расчёт всеобщего освещения, анализ излучательности и трассировка лучей

Mental ray (функция 3DS Max) является пригодной для производственного применения высококачественной системой визуализации, разработанной компанией Mental Images. Mental ray встроен в последние версии 3DS Max, это мощный инструмент визуализации, поддерживающий сегментную визуализацию (подобно механизму сопровождающей визуализации, реализованному в Maya), а также технологию распределённой визуализации, позволяющую рационально разделять вычислительную нагрузку между несколькими компьютерами. Включаемая в 3ds Max версия mental ray поставляется с набором инструментария, позволяющим относительно просто создавать множество различных эффектов.

V-Ray - популярнейший в русскоязычном пространстве внешний визуализатор компании Chaos Group.

Этот пакет является одним из лучших. В нем существуют абсолютно все возможности, которые нам нужны. Поэтому он будет использоваться нами очень широко. Также будет использоваться дополнительный визуализатор для 3D max - V-Ray, который позволит создавать более качественные текстуры и материалы для модели автокрана, используем для моделирования.

ZBrush

ZBrush - программа для трёхмерного моделирования, созданная компанией Pixologic. Отличительной особенностью данного программного обеспечения является имитация процесса «лепки» 3d-скульптуры, усиленного движком трёхмерного рендеринга в реальном времени, что существенно упрощает процедуру создания требуемого 3d-объекта. Каждая точка содержит информацию не только о своих координатах X,Y и значениях цвета, но также и глубине Z, ориентации и материале. Это значит, что вы не только можете "лепить" трёхмерный объект, но и "раскрасить" его, рисуя штрихами с глубиной. То есть вам не придётся рисовать тени и блики, чтобы они выглядели натурально - ZBrush это сделает автоматически. Также быстро работает со стандартными 3d объектами используя кисти для модификации геометрии материалов и текстур, позволяет добиться интерактивности при немыслимом количестве полигонов используя специальные методы можно поднять детализацию до десятков (а то и сотен) миллионов полигонов, также имеется множество подключаемых модулей.

Программа довольно неплохая, но ее мы использовать не будем, потому что она не такая удобная в работе как 3D Max или Blender.

Из данного списка существующих систем автоматизированного проектирования нам полностью подходит для реализации всех намеченных планов только Autodesk 3Ds Max 2009 так как в нем можно создать, настроить и отредактировать объекты трехмерных сцен в движении. В то время как в других аналогичных программах то или иное средство моделирования отсутствует.

Поэтому средством визуального моделирования деталей генератора водорода ГВ-2 и последующей его визуализации была выбрана программа Autodesk 3Ds Max 2009.

2.2 Реализация 3D модели генератора по схемам на Autodesk 3D Max 2009

С использованием программы моделирования 3D Max разрабатываем модели основных деталей генератора, которые были построены по чертежам полученными на OAO СКБ «Точрадиомаш» в отделе главного технолога. Необходимые размеры и схема данного генератора представлены на рисунке 7.



Рисунок 7 - Общий чертеж генератора водорода

На рисунке 7 мы имеем плоскую 2D проекцию деталей генератора, в которой могут разобраться только профессионалы-технологи. Но для сборки-разборки, изготовления, применения, маркетинга необходимы более наглядные способы проектирования и отображения применяемой на заводе технической информации и документации.

На рисунке 8 и рисунке 9 представлен готовый генератор уже построенный в 3Ds max 2009 по размерам представленным на рисунке 7.

Рисунок 8 - 3D модель генератора в процессе сборки

Рисунок 9 - 3D модель собранного генератора

На рисунке 10 и рисунке 12 представлены чертежи некоторых деталей генератора водорода. На рисунке 11, рисунке 13 и рисунке 14 представлены детали реализованные в 3Ds max по этим чертежам.

Рисунок 11 - Стойки, реализованные в 3D max 2009

Все основные детали генератора водорода были построены в САПР Компас-3D по чертежам, полученным на предприятии, и сохранены в формате .stl, который используется для хранения трехмерных моделей объектов в технологиях быстрого прототипирования. Информация об объекте представляет собой список треугольных граней, которые описывают его поверхность. После этого файлы .stl были переконвертированы в файлы .max для дальнейшей работы в 3ds Max.

Создавая объект в сцене, необходимо учитывать особенности его геометрии. Несмотря на то, что один и тот же трехмерный объект всегда можно смоделировать несколькими способами, как правило, существует один, который является наиболее быстрым и удобным.

Опытный аниматор с первого взгляда на эскиз будущей модели определяет способ моделирования объекта, однако, начинающему пользователю это не всегда под силу.

Методы трехмерного моделирования делятся на 3 вида:

- Каркасное (проволочное) моделирование;

- Поверхностное (полигональное) моделирование;

- Твердотельное (сплошное, объемное) моделирование.

Каркасное моделирование.

Каркасная модель полностью описывается в терминах точек и линий. Это моделирование самого низкого уровня и имеет ряд серьезных ограничений, большинство из которых возникает из-за недостатка информации о гранях, которые заключены между линиями, и невозможности выделить внутреннюю и внешнюю область изображения твердого объемного тела.

Однако каркасная модель требует меньше памяти и вполне пригодна для решения задач, относящихся к простым. Каркасное представление часто используется не при моделировании, а при отображении моделей как один из методов визуализации.

Наиболее широко каркасное моделирование используется для имитации траектории движения инструмента, выполняющего несложные операции по 2.5 или 3 осям. Понятие 2.5 оси связано с тем, что более простые системы могут обрабатывать информацию о формах только с постоянным поперечным сечением. Такую форму можно построить следующим образом - сначала создается вид XY, а затем каждой точке приписываются два значения координаты Z, характеризующие глубину изображения.

Недостатки каркасной модели:

· Неоднозначность - для того, чтобы представить модель в каркасном виде, нужно представить все ребра (это эффект может привести к непредсказуемым результатам. Нельзя отличить видимые грани от невидимых. Операцию по удалению невидимых линий можно выполнить только в ручную с применением команд редактирования каждой отдельной линии, но результат этой работы равносилен разрушению всей созданной каркасной конструкции, т.к. линии невидимы в одном виде и видимы в другом);

· Невозможность распознавания криволинейных граней - мнимые ребра (боковые поверхности цилиндрической формы реально не имеют ребер, хотя на изображении есть изображение некоторых мнимых ребер, которые ограничивают такие поверхности. Расположение этих мнимых ребер меняется в зависимости от направления вида, поэтому эти силуэты не распознаются как элементы каркасной модели и не отображаются на них);

· Невозможность обнаружить взаимное влияние компонент (каркасная модель не несет информации о поверхностях, ограничивающих форму, что обуславливает невозможность обнаружения нежелательных взаимодействий между гранями объекта и существенно ограничивает использование каркасной модели в пакетах, имитирующих траекторию движения инструмента или имитацию функционирования робота, так как при таком моделировании не могут быть выявлены на стадии проектирования многие коллизии, появляющиеся при механической сборке);

· Трудности, связанные с вычислением физических характеристик;

· Отсутствие средств выполнения тоновых изображений (основным принципом техники выполнения тоновых изображений, т.е. обеспечение плавных переходов различных цветов и нанесение светотени, является то, что затенению подвергаются грани, а не ребра).

Поверхностное моделирование

Поверхностное моделирование определяется в терминах точек, линий и поверхностей. При построении поверхностной модели предполагается, что технические объекты ограничены поверхностями, которые отделяют их от окружающей среды. Такая оболочка изображается графическими поверхностями. Поверхность технического объекта снова становится ограниченной контурами, но эти контуры уже являются результатом 2-х касающихся или пересекающихся поверхностей. Точки объектов - вершины, могут быть заданы пересечением трех поверхностей.

Поверхностное моделирование имеет следующие преимущества по сравнению с каркасным:

· способность распознавания и изображения сложных криволинейных граней;

· изображение грани для получения тоновых изображений;

· особые построения на поверхности (отверстия);

· возможность получения качественного изображения;

· обеспечение более эффективных средств для имитации функционирования роботов.

В основу поверхностной модели положены два основных математических положения:

· Любую поверхность можно аппроксимировать многогранником, каждая грань которого является простейшим плоским многоугольником;

· Наряду с плоскими многоугольниками в модели допускаются поверхности второго порядка и аналитически неописываемые поверхности, форму которых можно определить с помощью различных методов аппроксимации и интерполяции.

В отличие от каркасного моделирования каждый объект имеет внутреннюю и внешнюю часть.

Типы поверхностей:

· Базовые геометрические поверхности (к этой категории относятся плоские поверхности, которые можно получить, начертив сначала отрезок прямой, а затем применить команду, которая разворачивает в пространстве образ этого отрезка на заданное расстояние; таким же образом можно разворачивать и поверхности);

· Поверхности вращения, которые создаются вращением плоской грани вокруг определенной оси;

· Поверхности сопряжений и пересечений;

· Аналитически описываемые поверхности (каждая такая поверхность определяется одним математическим уравнением с неизвестными X,Y,Z). Эти неизвестные обозначают искомые координаты поверхности.

· Скульптурные поверхности (поверхности свободных форм или произвольные поверхности). Методы геометрического моделирования скульптурных поверхностей сложной технической формы применяют в областях, в которых проектируются динамические поверхности или поверхности, к которым предъявляются повышенные эстетические требования.

· Динамические поверхности подразделяются на 2 класса: омываемые средой (внешние обводы самолетов, подводных лодок), трассирующие среду (воздушные и гидравлические каналы, турбины). При проектировании скульптурных поверхностей применяют каркасно-кинематический метод, основанный на перемещение некоторых образующих по направляющим или путем построения сплайнов, продольных образующих кривых между точками, определенными в трехмерном пространстве. Методы отображения скульптурных поверхностей в значительной степени связаны с возможностями графических устройств. При этом отображение самой поверхности не играет существенной роли, так как основное назначение этих методов визуальная проверка корректности, гладкости и эстетичности полученной поверхности. В настоящее время модели скульптурных поверхностей широко используются при проектировании и производстве корпусом автомобилей, самолетов, предметов домашнего обихода.

· Составные поверхности. Составную поверхность можно полностью определить, покрыв его сеткой четырехугольных кусков, то есть участками, ограниченными параллельными продольными и поперечными линиями на поверхности. Каждый кусок имеет геометрическую форму топологического прямоугольника, который отличается от обычного тем, что его стороны не обязательно являются прямыми и попарно перпендикулярными. Границы кусков представляют собой непрерывные кривые и обеспечивают гладкость поверхности, натянутой на сетку. Внутренняя область каждого куска определяется методом интерполяции. Изображение составной поверхности может быть получено на экране дисплея либо с помощью построения по точкам сплайновых кривых, либо путем создания многогранного каркаса, на который система будет автоматически аппроксимировать натяжение гладкой криволинейной поверхности.

Твердотельное моделирование

Твердотельная модель описывается в терминах того трехмерного объема, который занимает определяемое ею тело. Твердотельное моделирование является самым совершенным и самым достоверным методом создания копии реального объекта.

Преимущества твердотельных моделей:

· Полное определение объемной формы с возможностью разграничивать внутренний и внешние области объекта, что необходимо для взаимовлияний компонент.

· Обеспечение автоматического удаления скрытых линий.

· Автоматическое построение 3D разрезов компонентов, что особенно важно при анализе сложных сборочных изделий.

· Применение методов анализа с автоматическим получением изображения точных весовых характеристик методом конечных элементов.

Получение тоновых эффектов, манипуляции с источниками света.

Методы создания трехмерных твердотельных моделей подразделяются на два класса:

· Метод конструктивного представления (C-Rep);

· Метод граничного представления (B-Rep).

Метод конструктивного представления

Метод конструктивного представления заключается в построении твердотельных моделей, из базовых составляющих элементов, называемых твердотельными примитивами, и определяемых формой, размерами, точкой привязки и ориентацией.

Модель конструктивной геометрии представляет собой бинарный древовидный граф G=(V,U) , где V - множество вершин - базовые элементы формы - примитивы, из которых конструируется объект, а U- множество ребер, которые обозначают теоретико-множественные операции, выполняемые над соответствующими базовыми элементами формы.

Каждый примитив модели задан множеством атрибутов:

A=<X,Y,Z,Lx,Ly,Lz,Sx,Sy,...Sn,> где X,Y,Z - где координаты точки привязки локальной СК к системе целого объекта; Lx,Ly,Lz - углы поворота, Sx,Sy,...Sn - метрические параметры объекта.

Булевы операции являются существующим инструментарием для построения модели c-rep при определении взаимоотношений между соседними примитивами. Булевы операции базируются на понятиях алгебраической теории множеств, и имеют обычный смысл, когда применяются к твердотельным объектам. Наиболее часто следующие операции: пересечение, объединение и разность.

Метод граничного представления

Граничное представление - описание границ объекта или точного аналитического задания граней, описывающих тело. Это единственный метод, позволяющий создать точное, а не приближенное представление геометрического твердого тела. При таком подходе от пользователя требуется задание контуров или границ объекта, а также эскизы разных видов объектов, и указание линий связей между этими видами, чтобы можно было установить взаимное соответствие.

Плюсы и минусы.

Каждый из двух названных методов имеет свои достоинства и недостатки, по сравнению с другим. Система с c-rep представлением имеет преимущества при первоначальном формировании модели, так как поострить объемную модель правильной формы из объемных примитивов с использованием булевых операций достаточно просто. Кроме того, этот метод обеспечивает более компактное описание модели в БД. Однако b-rep представление является актуальным при создании сложных форм, которые воссоздать с помощью c-rep метода очень трудоемко. В c-rep методе модель хранится в виде комбинации данных и логических процедур, при этом требуется меньше памяти, но большим оказывается объем вычислений при воспроизведении модели. С другой стороны модели c b-rep представлением хранит точное описание границ модели, для этого нужно больше памяти, но не требуется почти никаких вычислений для воссоздания изображения. Относительным достоинством систем с b-rep является сравнительная простота преобразования граничного представления в соответствующую каркасную модель и обратно. Причина такой простоты заключается в том, что описание границ подобно описанию каркасной модели, а это облегчает преобразование модели из одной формы в другую, и делает системы с b-rep представлением совместимыми с уже имеющимися системами.

Гибридное моделирование

В виду относительного характера преимуществ и недостатков методов c-rep и b-rep были разработаны гибридные системы, которые сочетают в себе оба метода. Гибридное моделирование, реализованное в системах CADDS5, UG/Solid Modeling, Euclid, CATIA позволяет сочетать каркасную, поверхностную и твердотельную геометрию и использовать комбинации жестко размерного моделирования (с явным заданием геометрии) и параметрического моделирования.

Конечно, лучше бы использовать единственную стратегию моделирования для всех продуктов, но, во-первых, часто приходится использовать ранее наработанные данные, либо данные, импортируемые из других систем, а они могут иметь разные представления. Во-вторых, в какие - то моменты эффективнее работать с проволочными моделями или 3 D геометрией, описанной поверхностью. И наконец, часто бывает проще иметь различные представления для разных компонентов. Например, листовое покрытие выгоднее моделировать поверхностью, а для трубопроводов использовать осесимметричное представление.

В 3ds max 2009 используются различные подходы к трехмерному моделированию:

· моделирование на основе примитивов;

· использование модификаторов;

· сплайновое моделирование;

· правка редактируемых поверхностей;

· создание объектов при помощи булевых операций;

· создание трехмерных сцен с использованием частиц;

Моделирование с использованием модификаторов.

Модификатором называется действие, назначаемое объекту, в результате чего свойства объекта изменяются. Например, модификатор может действовать на объект, деформируя его различными способами - изгибая, вытягивая, скручивая и т. д. Модификатор также может служить для управления положением текстуры на объекте или изменять физические свойства объекта, например, делать его гибким.

В 3ds Max доступно огромное число модификаторов. Рассмотрим те, которые используются чаще всего.

Bend (Изгиб)

Назначение данного модификатора - деформировать объект, сгибая его оболочку под определенным углом Angle (Угол) относительно некоторой оси Bend Axis (Ось изгиба). Этот модификатор, как и многие другие, имеет область Limits (Пределы), с помощью параметров которой можно определить границы применения модификатора.

Displace (Смещение)

Модификатор Displace (Смещение) деформирует поверхность объекта, сдвигая вершины трехмерной модели по заданному рисунку. В качестве последнего может выступать как растровое изображение (Bitmap), так и процедурная карта (Map).

Параметр Strength (Сила воздействия) области Displacement (Смещение) определяет величину воздействия модификатора на объект, а параметр Decay (Затухание) задает затухание деформации.

Модификатор Displace (Смещение) имеет большое количество параметров, которые определяют положение искажающего изображения или карты, а также тип ее проецирования на объект. В области Map (Карта) можно выбрать один из типов проецирования: Planar (Плоская), Cylindrical (Цилиндрическая), Spherical (Сферическая) или Shrink Wrap (Облегающая).

...